K12教育的智能機(jī)器人小車(chē)的改良設(shè)計(jì)

摘要一個(gè)國(guó)家的發(fā)展、強(qiáng)盛，歸根結(jié)底就是科技的發(fā)展、強(qiáng)盛。我國(guó)作為一個(gè)高速發(fā)展的大國(guó)，近年來(lái)科技飛速發(fā)展。其中機(jī)械的智能化占了其中很大的比重?，F(xiàn)在各種智能型機(jī)器人已經(jīng)融入到大家的日常生活中，可謂屢見(jiàn)不鮮。本課題，是以當(dāng)今飛速發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)與上手簡(jiǎn)單、方便靈活的一款開(kāi)源電子平臺(tái)--Arduino相結(jié)合而選定的Arduino智能機(jī)器人小車(chē)的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)。Arduino智能機(jī)器人小車(chē)在我國(guó)已經(jīng)取得了較為理想的成果。但是，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研以及對(duì)調(diào)研結(jié)果的分析，現(xiàn)有的Arduino小車(chē)仍在結(jié)構(gòu)上存在一些問(wèn)題。例如：小車(chē)整體采用內(nèi)部元件裸露式，小車(chē)外觀普遍不具有吸引力；小車(chē)有些材料的選取較為脆弱，易碎、易損；小車(chē)各個(gè)元器件間的排線(xiàn)凌亂；不便于安裝、拆卸；缺少防呆設(shè)計(jì)。本文從外觀、材料、排線(xiàn)、防呆這幾個(gè)問(wèn)題入手，完成的主要改良方面包括：1.使小車(chē)外觀具有吸引力，能引起用戶(hù)對(duì)于機(jī)器人小車(chē)研究的興趣；2.使小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)輪履自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能；3.使小車(chē)內(nèi)部排線(xiàn)井然有序；并且在小車(chē)材料的選取方面，不同部位采用不同材料，使小車(chē)能承受一定的碰撞；4.通過(guò)連線(xiàn)顏色的區(qū)分以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到一定的防呆目的。研究意義：Arduino小車(chē)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為使用者提供便利，減少安裝、拆卸困難；對(duì)我國(guó)機(jī)械智能化的發(fā)展具有推動(dòng)意義；為我國(guó)玩具制作技術(shù)的不足達(dá)到一定的彌補(bǔ)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到推動(dòng)作用。關(guān)鍵詞：Arduino機(jī)器人小車(chē)；結(jié)構(gòu)改良；教育意義；輪履轉(zhuǎn)換AbstractIn

the

final

analysis,

the

development

and

prosperity

of

a

country

is

the

development

and

prosperity

of

science

and

technology.

As

a

large

country

with

rapid

development,

China

has

developed

rapidly

in

science

and

technology

in

recent

years.

Among

them,

the

intelligence

of

machinery

accounts

for

a

large

proportion

of

them.

Now

all

kinds

of

intelligent

robots

have

been

integrated

into

everyone's

daily

life,

it

can

be

said

that

it

is

not

uncommon.

This

paper

is

based

on

the

rapid

development

of

automobile

industry

and

simple,

convenient

and

flexible

open

source

electronic

platform-Arduino.

The

structure

of

the

Arduino

intelligent

robot

car

is

improved

by

the

combination

of

the

rapid

development

of

the

automobile

industry

and

the

simple,

convenient

and

flexible

open

source

electronic

platform.Arduino

intelligent

robot

car

has

achieved

ideal

results

in

our

country.

However,

through

market

research

and

the

analysis

of

the

research

results,

there

are

still

some

problems

in

the

structure

of

the

existing

Arduino

car.

For

example,

the

car

as

a

whole

adopts

the

naked

type

of

internal

components,

the

appearance

of

the

car

is

generally

not

attractive;

the

selection

of

some

materials

of

the

car

is

fragile,

fragile

and

vulnerable;

the

wiring

between

the

various

components

of

the

car

is

disorderly;

it

is

not

easy

to

install

and

disassemble.

Lack

of

anti-stun

design.In

this

paper

the

main

improvements

are

as

follows:1.

Make

the

appearance

of

the

car

attractive,

can

arouse

the

user's

interest

in

the

research

of

the

robot

car;

2.So

that

the

car

can

realize

the

function

of

automatic

conversion

of

wheels

and

tracks;3.3.Make

the

car

internal

line

orderly;

and

in

the

selection

of

car

materials,

different

parts

of

the

use

of

different

materials,

so

that

the

car

can

withstand

a

certain

collision;

4.Through

the

distinction

of

wire

color

and

the

design

of

internal

structure

to

achieve

a

certain

purpose

of

anti-dull.Research

significance:

the

innovative

design

of

Arduino

car

structure

provides

convenience

for

users

and

reduces

the

difficulty

of

installation

and

disassembly,

which

is

of

great

significance

to

the

development

of

mechanical

intelligence

in

our

country.

It

makes

up

for

the

deficiency

of

toy

making

technology

in

our

country

and

promotes

the

economic

development

of

our

country.Key

words:

Arduino

robot

car;structure

improvement;educational

significance;wheel

track

conversion目錄12434_WPSOffice_Level1第一章緒論 1022384_WPSOffice_Level21.1選題背景 1022384_WPSOffice_Level31.1.1Arduino介紹 1028153_WPSOffice_Level31.1.2Arduino智能機(jī)器人小車(chē)背景介紹 1228153_WPSOffice_Level21.2研究現(xiàn)狀 1230208_WPSOffice_Level31.2.1目前得相關(guān)技術(shù) 1228212_WPSOffice_Level31.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 1230208_WPSOffice_Level21.3設(shè)計(jì)目的 1328212_WPSOffice_Level21.4研究意義 1322384_WPSOffice_Level1第二章市場(chǎng)調(diào)研 1515155_WPSOffice_Level22.1市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品歸納 158140_WPSOffice_Level32.1.1..輪式小車(chē)產(chǎn)品： 1529625_WPSOffice_Level32.1.2履帶小車(chē)底盤(pán)產(chǎn)品： 1516402_WPSOffice_Level22.2現(xiàn)有產(chǎn)品分析 171996_WPSOffice_Level22.3社會(huì)調(diào)查 1810201_WPSOffice_Level32.3.1調(diào)研目的 1812464_WPSOffice_Level32.3.2調(diào)研對(duì)象 1818360_WPSOffice_Level31.基于Arduino小車(chē)的研究意義與目的，我認(rèn)為調(diào)研對(duì)象的選取應(yīng)該選取兩部分： 1819051_WPSOffice_Level32.3.3調(diào)研方法 188140_WPSOffice_Level22.4調(diào)研數(shù)據(jù)收集與分析 1929625_WPSOffice_Level22.5市場(chǎng)調(diào)研總結(jié) 2010201_WPSOffice_Level22.6存在問(wèn)題 215535_WPSOffice_Level31.美觀問(wèn)題 2131237_WPSOffice_Level32.排線(xiàn)問(wèn)題 2131485_WPSOffice_Level33.防呆問(wèn)題 2111531_WPSOffice_Level34.輪履切換問(wèn)題 2131154_WPSOffice_Level35.充電問(wèn)題 2128153_WPSOffice_Level1第三章設(shè)計(jì)改良與設(shè)計(jì)方案比較 2312464_WPSOffice_Level23.1設(shè)計(jì)定位 239782_WPSOffice_Level33.1.1使用人群定位和分析 2330828_WPSOffice_Level33.1.2使用環(huán)境分析 233317_WPSOffice_Level33.1.3產(chǎn)品定位 2318360_WPSOffice_Level23.2設(shè)計(jì)思路 2319051_WPSOffice_Level23.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析 2413965_WPSOffice_Level3圖3.1Arduino機(jī)器人小車(chē) 2410786_WPSOffice_Level3表3.1小車(chē)內(nèi)部元器件 245535_WPSOffice_Level23.4設(shè)計(jì)改良主要內(nèi)容 2631237_WPSOffice_Level23.5設(shè)計(jì)方案及工作原理 2619576_WPSOffice_Level33.5.1方案一： 2617316_WPSOffice_Level33.5.2方案二： 27843_WPSOffice_Level33.5.3方案三： 2831485_WPSOffice_Level23.6設(shè)計(jì)方案比較 2821954_WPSOffice_Level3表3.5方案對(duì)比 2930208_WPSOffice_Level1第四章要素分析與展開(kāi)設(shè)計(jì) 3011531_WPSOffice_Level24.2尺寸分析 3031154_WPSOffice_Level24.3材料要素分析 3026437_WPSOffice_Level3表4.1底盤(pán)材料性能 318311_WPSOffice_Level3表4.2車(chē)殼材料性能 319782_WPSOffice_Level24.4設(shè)計(jì)改良主要內(nèi)容 3221090_WPSOffice_Level34.4.1.輪履切換底盤(pán)設(shè)計(jì) 3228684_WPSOffice_Level34.4.2.小車(chē)排線(xiàn)設(shè)計(jì) 3322785_WPSOffice_Level34.4.3.小車(chē)外觀造型設(shè)計(jì) 33949_WPSOffice_Level34.4.4.防呆設(shè)計(jì) 3530828_WPSOffice_Level24.5效果圖渲染 3528212_WPSOffice_Level1第五章設(shè)計(jì)總結(jié)與未來(lái)展望 363317_WPSOffice_Level25.1全文總結(jié) 3613965_WPSOffice_Level25.2設(shè)計(jì)不足與未來(lái)展望 3715155_WPSOffice_Level1致謝 3716402_WPSOffice_Level1參考文獻(xiàn) 371996_WPSOffice_Level1附錄 38緒論1.1選題背景1.1.1Arduino介紹Arduino是一款由歐洲團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。它包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(ArduinoIDE)。主要包含兩個(gè)主要的部分:硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板;另外一個(gè)則是Arduino軟件，只要在軟件中編寫(xiě)程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，Arduino電路板便能實(shí)現(xiàn)軟件所編寫(xiě)的功能。Arduino能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。Arduino現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用，它主要具備以下特點(diǎn)：跨平臺(tái)，ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開(kāi)發(fā)；運(yùn)行簡(jiǎn)單清晰，Arduino軟件對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Arduino語(yǔ)言的學(xué)習(xí)應(yīng)用，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，便可以快速的進(jìn)行開(kāi)發(fā)；開(kāi)放性，Arduino的硬件原理圖、電路圖、軟件及核心庫(kù)文件都是開(kāi)源的，在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼；發(fā)現(xiàn)迅速，Arduino不僅僅全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更是硬件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。Arduino簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使得開(kāi)發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，更快的完成自己的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，大大節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。因?yàn)锳rduino的種種優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)硬件開(kāi)發(fā)者已經(jīng)或開(kāi)始使用Arduino來(lái)開(kāi)發(fā)他們的項(xiàng)目、產(chǎn)品;越來(lái)越多的軟件開(kāi)發(fā)者使用Arduino進(jìn)入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開(kāi)發(fā)領(lǐng)域;大學(xué)里，自動(dòng)化、軟件，甚至藝術(shù)專(zhuān)業(yè)，也紛紛開(kāi)展了Arduino相關(guān)課程。圖1.1ArduinoUNO主板圖1.2ArduinoMega251.1.2Arduino智能機(jī)器人小車(chē)背景介紹所謂K12教育是指從幼兒園開(kāi)始到十二年級(jí)的這一階段，這一概念首先是歐美提出的，在中國(guó)特指中小學(xué)教育，隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越體現(xiàn)出機(jī)電一體化的特征。無(wú)論是在金屬加工、汽車(chē)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等等方面，機(jī)器設(shè)備表現(xiàn)了所謂的智能化、集成化、小型化，高精度化的發(fā)展趨勢(shì)。教育行業(yè)也發(fā)生著改變，AI智能的發(fā)展，編程，機(jī)械等方面的課程也逐漸的被中小學(xué)所接受，Arduino作為目前新興的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以其操作簡(jiǎn)單，兼容性強(qiáng)，開(kāi)源等優(yōu)勢(shì)逐漸成為繼單片機(jī)之后的又一大大家普遍使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，但是作為主要以開(kāi)發(fā)為主要功能的平臺(tái)，對(duì)于使用者的一些使用習(xí)慣和使用環(huán)境并不熟悉，致使目前Arduino平臺(tái)只局限于程序測(cè)試和各種例如循跡，搬運(yùn)等特定要求的電子比賽之中，雖然根據(jù)Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)的尺寸生產(chǎn)出一些拼裝的套件，目前只限于雙輪平臺(tái)，四輪驅(qū)動(dòng)，履帶搬運(yùn)等特定的套件，雖然有一些特定人群根據(jù)自己的需要DIY整車(chē)造型，但并不理想。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1目前得相關(guān)技術(shù)筆者為了了解對(duì)該產(chǎn)品設(shè)計(jì)有幫助的機(jī)械原理，對(duì)相關(guān)的文獻(xiàn)和專(zhuān)利進(jìn)行了查閱，總結(jié)了與該產(chǎn)品相關(guān)的研究現(xiàn)狀，對(duì)筆者的設(shè)計(jì)有所幫助的進(jìn)行敘述。目前來(lái)看與輪履轉(zhuǎn)換的有關(guān)的文獻(xiàn)與專(zhuān)利大多數(shù)為機(jī)動(dòng)車(chē)或大型車(chē)輛大功率的設(shè)計(jì)方案，所使用的實(shí)現(xiàn)方法并不適合像智能機(jī)器人小車(chē)這種小功率，小車(chē)型，電池作為動(dòng)力來(lái)源的可遙控車(chē)型。列舉以下幾種目前的與輪履轉(zhuǎn)換方式相關(guān)的研究成果：馬宏偉(2017)一種腿輪屢復(fù)合式鉆孔探測(cè)救援機(jī)器人，主要設(shè)計(jì)方案類(lèi)似于人的兩條腿走路的方式。楊福芹（2017）一種路軌兩用車(chē)底盤(pán)裝置，主要工作方式為通過(guò)液壓裝置將整體抬高，使車(chē)輛能夠一次性洛軌和離軌。王興東（2011）一種救災(zāi)用輪履轉(zhuǎn)換小車(chē)，通過(guò)改變車(chē)輪或者履帶與地面的接觸面積和不同的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪履轉(zhuǎn)換。鐘偉斌（2011）一種輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變履帶內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)的位置，使履帶輪廓呈圓形，以實(shí)現(xiàn)輪式的目的。張敏（2018）旋轉(zhuǎn)式輪履轉(zhuǎn)換，將車(chē)輪和履帶分別安裝在圓盤(pán)的兩端，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)使車(chē)輪或履帶接觸地面。段剛（2010）自控式輪履自動(dòng)轉(zhuǎn)換爬樓機(jī)，通過(guò)升降機(jī)改變前側(cè)車(chē)輪和履帶的的高度，使履帶與樓梯平行但承載平臺(tái)還是水平的。萬(wàn)陽(yáng)（2018）一種組裝件，履帶和移動(dòng)平臺(tái)，利用麥克納姆輪與履帶結(jié)合。筆者通過(guò)對(duì)以上專(zhuān)利或文獻(xiàn)等，對(duì)以后的方案設(shè)計(jì)與思路拓展有所幫助，而非空中樓閣，確保各部分結(jié)構(gòu)可以連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)并工作，實(shí)現(xiàn)功能需求。1.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外的智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展中，美國(guó)的智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上一直處于領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)，性能可靠、功能全面、精確度高，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車(chē)工業(yè)中廣泛應(yīng)用。日本由于一系列扶植政策，各類(lèi)機(jī)器人包括智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展迅速。歐洲各國(guó)在智能移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。國(guó)外智能車(chē)的研究比較靠前,始于上世紀(jì)50年代。其經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段的發(fā)展:第一階段,智能車(chē)輛研究的開(kāi)始,時(shí)間20世紀(jì)50年代。1954年,美國(guó)BarrettElectronics公司開(kāi)發(fā)出了世界上第一臺(tái)自主引導(dǎo)車(chē)系統(tǒng)AGVS(AutomatedGuidedVehicleSystem)。該系統(tǒng)盡管只是一個(gè)運(yùn)行在固定線(xiàn)路上的拖車(chē)式運(yùn)貨平臺(tái),但它卻具有了智能車(chē)輛最基本的特點(diǎn)——無(wú)人駕駛。早期開(kāi)發(fā)AGVS的目的是為了增強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化能力,運(yùn)用領(lǐng)域只受限于倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的物品運(yùn)輸。隨著計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展,智能車(chē)輛的研究在不斷突破。第二階段,80年代中后期,智能車(chē)輛的研究在發(fā)達(dá)國(guó)家取得了顯著成效。在歐洲,1986年普羅米修斯項(xiàng)目開(kāi)始了在這個(gè)領(lǐng)域的摸索。在美洲,1995年美國(guó)成立了國(guó)家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟(NAHSC),其目的之一就是研究發(fā)展智能車(chē)輛的可靠性,并促進(jìn)智能車(chē)輛技術(shù)步入實(shí)用化。在亞洲,1996年日本成立了高速公路先進(jìn)巡航/輔助駕駛研究會(huì),主旨在于研究自動(dòng)車(chē)輛導(dǎo)航的方式方法,加快日本智能車(chē)輛技術(shù)的整體發(fā)展。到了80年代中期,設(shè)計(jì)和制作智能車(chē)輛的浪潮席卷全球,大批世界著名的公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)智能車(chē)輛平臺(tái)。第三階段,到了90年代,智能車(chē)輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。其中最為突出的是,美國(guó)卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)(CarnegieMellonUniversity)機(jī)器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺(tái)自主車(chē)(Navlab1—Navlab10)的研發(fā),獲得了顯著的成果。1.3設(shè)計(jì)目的在科技和教育的迅猛發(fā)展下，目前面對(duì)大學(xué)的基礎(chǔ)課程逐漸被中小學(xué)階段用作興趣課程，例如C語(yǔ)言、機(jī)械、設(shè)計(jì)等多種方向。對(duì)K12教育來(lái)說(shuō)，原來(lái)用于大學(xué)生的教學(xué)課程和教學(xué)器械并不適合中小學(xué)生的學(xué)習(xí)，面對(duì)這樣的情況，應(yīng)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人小車(chē)（后文用智能小車(chē)代替）項(xiàng)目的要求，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能小車(chē)進(jìn)行調(diào)研和分析總結(jié)，設(shè)計(jì)一款從外觀、使用方式等方面適合K12教育的智能小車(chē)，并針對(duì)輪履轉(zhuǎn)換，排線(xiàn)，電池盒等問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究和設(shè)計(jì)。1.4研究意義首先，基于對(duì)Arduino機(jī)器人小車(chē)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)于用戶(hù)在安裝、拆卸、維護(hù)以及在對(duì)于小車(chē)進(jìn)行使用時(shí)能夠更加簡(jiǎn)單方便的目的?，F(xiàn)有產(chǎn)品，由于其固有安裝結(jié)構(gòu)、排線(xiàn)凌亂以及輪履切換、電池盒位置等問(wèn)題，在用戶(hù)使用該產(chǎn)品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、連線(xiàn)繁多、連線(xiàn)錯(cuò)誤、拆卸困難等諸多狀況。為了解決這些問(wèn)題，對(duì)于Arduino機(jī)器人小車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是必要的。其次，進(jìn)一步對(duì)Arduino小車(chē)進(jìn)行底盤(pán)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)我國(guó)機(jī)械智能化的研究提供方便，對(duì)我國(guó)在機(jī)械智能化的發(fā)展更具有推動(dòng)意義。我國(guó)作為一個(gè)大國(guó)，科技的迅猛發(fā)展是必然的，亦會(huì)在科技領(lǐng)域占有一席之地?，F(xiàn)在我們已知的已經(jīng)有無(wú)人機(jī)等重要技術(shù)。那么汽車(chē)產(chǎn)業(yè)必將走上智能化。對(duì)于Arduino小車(chē)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也是為汽車(chē)的智能化的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，所以Arduino機(jī)器人小車(chē)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，以至于更多功能的研究將具有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)也將對(duì)我國(guó)未來(lái)智能化方面在世界領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要意義。同時(shí)，Arduino小車(chē)進(jìn)行底盤(pán)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)于未來(lái)的智能小車(chē)多功能、模塊化、專(zhuān)業(yè)化的發(fā)展起到推進(jìn)作用，且在未來(lái)對(duì)中小學(xué)的教育中，能讓更多的年輕人看到機(jī)械的魅力和神奇。最后，Arduino機(jī)器人小車(chē)也可以作為一款K12教育的玩具產(chǎn)品。就這一方面來(lái)說(shuō)，對(duì)現(xiàn)有Arduino小車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改良，以至于達(dá)到一定的結(jié)構(gòu)和外觀優(yōu)化。這樣Arduino小車(chē)能夠更好的電子玩具市場(chǎng)打開(kāi)局面，且能為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。所以，Arduino機(jī)器人小車(chē)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的意義在于：Arduino小車(chē)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為使用者提供便利，減少安裝、拆卸困難；Arduino小車(chē)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)未來(lái)的K12教育的多樣化有推進(jìn)作用；Arduino小車(chē)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)我國(guó)機(jī)械智能化的發(fā)展具有推動(dòng)意義；市場(chǎng)調(diào)研2.1市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品歸納2.1.1輪式小車(chē)產(chǎn)品：、2.1.2履帶小車(chē)底盤(pán)產(chǎn)品：2.2現(xiàn)有產(chǎn)品分析序號(hào)圖片類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1輪式四驅(qū)，動(dòng)力足安裝空間大輪胎寬，運(yùn)行平穩(wěn)輪距較寬，底盤(pán)低，容易剮蹭對(duì)地形要求較高拆卸困難2輪式元件整合方便攜帶拆卸維修方便功能帶一電池容量小3輪式拆卸安裝方便功能多樣模塊化，易更換元件分散排線(xiàn)雜亂4履帶式運(yùn)行穩(wěn)定排線(xiàn)規(guī)律攜帶困難拆卸復(fù)雜困難5履帶式結(jié)構(gòu)輕便安裝空間大電機(jī)外露容易損壞6履帶式功能多樣化適應(yīng)多地形動(dòng)力結(jié)構(gòu)保護(hù)排線(xiàn)雜亂續(xù)航能力差履帶松散，易損壞2.3社會(huì)調(diào)查2.3.1調(diào)研目的調(diào)研是調(diào)查研究的簡(jiǎn)稱(chēng)，指通過(guò)各種調(diào)查方式系統(tǒng)客觀的收集信息并研究分析，對(duì)各產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)予以預(yù)測(cè)。調(diào)研是論文前期重要的準(zhǔn)備工作。本文通過(guò)調(diào)研：1.了解被訪者對(duì)于Arduino軟件的了解程度，亦進(jìn)一步將可以了解Arduino在我國(guó)的推廣與應(yīng)用程度；2.了解被訪者對(duì)于Arduino與智能機(jī)器人相結(jié)合的Ardunio機(jī)器人小車(chē)的了解程度；3.了解被訪者是否自己親自使用過(guò)Arduino小車(chē)或其他智能小車(chē)，或是動(dòng)手安裝。拆卸過(guò)Arduino機(jī)器人小車(chē)；4.了解被訪者就現(xiàn)有Arduino小車(chē)，在使用過(guò)程、安裝過(guò)程、拆卸過(guò)程中，是否存在一些不足；5.被訪者覺(jué)得是否對(duì)于現(xiàn)有Arduino小車(chē)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)；2.3.2調(diào)研對(duì)象1.基于Arduino小車(chē)的研究意義與目的，我認(rèn)為調(diào)研對(duì)象的選取應(yīng)該選取兩部分：a.在校的初、高中生Arduino機(jī)器人小車(chē)不僅僅是一款機(jī)器智能化產(chǎn)品，也是一款益智類(lèi)玩具產(chǎn)品。作為一款益智類(lèi)玩具產(chǎn)品，初中生和高中生已經(jīng)具備一定的自主動(dòng)手能力，能夠在自己動(dòng)手安裝制作的過(guò)程中學(xué)到一定程度的知識(shí)，在玩的過(guò)程中，引發(fā)對(duì)于科學(xué)探索的興趣。所以我認(rèn)為應(yīng)選取一部分初、高中生作為調(diào)研對(duì)象。b.在校的大學(xué)生；在校大學(xué)生不僅能很好的完成Arduino小車(chē)的安裝，并且能在這個(gè)制作過(guò)程中提出自己的看法意見(jiàn)，同時(shí)大學(xué)生具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，能提出一些獨(dú)到的意見(jiàn)建議。所以選取在校大學(xué)生作為另一部分調(diào)研對(duì)象。2.3.3調(diào)研方法市場(chǎng)調(diào)研方法有：1.訪問(wèn)調(diào)查法（簡(jiǎn)稱(chēng)訪問(wèn)法或詢(xún)問(wèn)法，是指調(diào)查者一訪談詢(xún)問(wèn)的形式，通過(guò)電話(huà)、問(wèn)卷、個(gè)別詢(xún)問(wèn)等詢(xún)問(wèn)形式像被調(diào)查者搜集市場(chǎng)調(diào)查資料的一種方法。）2.訪問(wèn)調(diào)查法主要包括：電話(huà)訪問(wèn)、入戶(hù)訪問(wèn)、留置問(wèn)卷訪問(wèn)、攔截式訪問(wèn)、計(jì)算機(jī)輔助面訪。3.觀察法（觀察法是調(diào)查者到現(xiàn)場(chǎng)品自己的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或借助攝錄像器材，直接或間接觀察和記錄正在發(fā)生的市場(chǎng)行為或狀況，以獲取有關(guān)信息的一種實(shí)地調(diào)查法。）4.實(shí)驗(yàn)法（實(shí)驗(yàn)法是指設(shè)定特殊的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、狀況來(lái)進(jìn)行調(diào)查的方法。）5.網(wǎng)絡(luò)調(diào)查法如今隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)調(diào)查也得到了廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)調(diào)查研究是代替了傳統(tǒng)的面對(duì)面訪問(wèn)、電話(huà)訪問(wèn)或郵寄訪問(wèn)的手段，是一種利用網(wǎng)頁(yè)問(wèn)卷、電子公告板等網(wǎng)絡(luò)多媒體通訊手段來(lái)收集調(diào)查數(shù)據(jù)和訪談資料的一種調(diào)查方法，它充分利用了因特網(wǎng)的互動(dòng)性、實(shí)時(shí)性、方便性等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展飛快，許多人在調(diào)研時(shí)，都采用了網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷調(diào)研的方法。網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷調(diào)研，雖然簡(jiǎn)單，而且花費(fèi)調(diào)研時(shí)間少，但是我認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)，或多或少存在一定的虛擬性，被調(diào)查者在填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷時(shí)，具有一定的隨意性，以致于最終得到的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。所以我采用紙質(zhì)問(wèn)卷調(diào)查。紙質(zhì)問(wèn)卷調(diào)查，雖然會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間，但其優(yōu)點(diǎn)也很明顯，能夠與被調(diào)查人進(jìn)行面對(duì)面的交流，對(duì)被調(diào)查者進(jìn)行直觀的了解，能夠獲得更加精準(zhǔn)、詳細(xì)的調(diào)研數(shù)據(jù)。相比較之下，對(duì)于調(diào)研來(lái)說(shuō)，精確的調(diào)研結(jié)果才是調(diào)研的重點(diǎn)，所以我最終采用紙質(zhì)調(diào)研的方法。2.4調(diào)研數(shù)據(jù)收集與分析調(diào)研花費(fèi)10時(shí)間，首先對(duì)于初、高中生，進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。隨機(jī)選定一所初級(jí)中學(xué)和一所高級(jí)中學(xué)，在初、高中生放學(xué)時(shí)對(duì)100名學(xué)生發(fā)放了紙質(zhì)問(wèn)卷進(jìn)行調(diào)研。其次對(duì)100名在校大學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。在本校內(nèi)隨機(jī)給100位在校大學(xué)生發(fā)放紙質(zhì)問(wèn)卷，進(jìn)行調(diào)研。在完成200份調(diào)研后，統(tǒng)一對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行整合分析，得到調(diào)研數(shù)據(jù)。通過(guò)紙質(zhì)問(wèn)卷調(diào)研的方式，進(jìn)行了對(duì)于Arduino機(jī)器人小車(chē)的市場(chǎng)調(diào)研，參與調(diào)研的人數(shù)為200人，其中有效問(wèn)卷為184份。通過(guò)對(duì)調(diào)研問(wèn)卷的整理，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，針對(duì)被訪者是否了解Arduino這一問(wèn)題時(shí)，有50%的被訪者了解Arduino，其中一部分僅聽(tīng)說(shuō)過(guò)Arduino，另一部分了解程度為知道Arduino的作用；但是對(duì)Arduino十分了解的僅有10%，而且這一部分被訪者中，大多部分我自己使用過(guò)Arduino軟件或Arduino開(kāi)發(fā)板。從這一數(shù)據(jù)中我們可以得知，Arduino并未在初、高、大學(xué)生中得到有效的推廣與使用。針對(duì)被訪者是否了解智能機(jī)器人這一問(wèn)題時(shí)，有75%的人了解智能機(jī)器人，因?yàn)楝F(xiàn)在我國(guó)的智能化發(fā)展越來(lái)越快，其中智能機(jī)器人領(lǐng)域尤為突出，現(xiàn)在已經(jīng)有許多智能機(jī)器人已經(jīng)走入了家家戶(hù)戶(hù)。例如智能炒菜機(jī)器人、智能掃地機(jī)器人、智能交通指揮機(jī)器人，以及在有些餐廳可以看到的機(jī)器人服務(wù)生，所以這些被訪者都或多或少了解智能機(jī)器人。另外更有10%的被訪者十分了解智能機(jī)器人，并有一部分人自己家中就有智能機(jī)器人。針對(duì)被訪者是否了解Arduino機(jī)器人小車(chē)這一問(wèn)題時(shí)，有38%的被訪者完全不了解；50%被訪者一般了解；僅12%的被訪者十分了解。這些被訪者大多是自己親手制作過(guò)Arduino機(jī)器人小車(chē)，對(duì)于是否需要對(duì)現(xiàn)有Arduino小車(chē)是否需要改進(jìn)是，90%被訪者認(rèn)為需要改進(jìn)，并且提出了一些自己在使用或制作Arduino小車(chē)時(shí)遇到的問(wèn)題；剩余10%被訪者則認(rèn)為不需要改進(jìn)。2.5市場(chǎng)調(diào)研總結(jié)從以上數(shù)據(jù)可知，雖然智能機(jī)器人在我國(guó)發(fā)展迅猛，但是有關(guān)于Arduino智能機(jī)器人小車(chē)這一方面的發(fā)展、推廣與使用上仍顯不足。相較于其他智能機(jī)器人小車(chē)，Arduino智能機(jī)器人小車(chē)更為簡(jiǎn)單，易上手，它可作為一款有教育意義的玩具，得到更多的推廣與發(fā)展。另一方面，予現(xiàn)有的Arduino小車(chē)來(lái)說(shuō)，亦存在些問(wèn)題，所以需要更細(xì)、更精確的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)。對(duì)現(xiàn)有智能小車(chē)的對(duì)比分析能夠總結(jié)現(xiàn)在的智能小車(chē)存在排線(xiàn)復(fù)雜、攜帶不方便、電池續(xù)航問(wèn)題。且目前的問(wèn)題嚴(yán)重影響用戶(hù)體驗(yàn)，所以有必要針對(duì)目前存在的問(wèn)題提出解決方案并落實(shí)解決。年齡段組裝小車(chē)搭接線(xiàn)路例程體驗(yàn)代碼熟知與代碼編程推薦理由6-10歲√此年齡段的小朋友需要在家長(zhǎng)的陪同下一起使用智能小車(chē)，讓孩子有自己動(dòng)手的樂(lè)趣，對(duì)電子知識(shí)初步了解。10-15歲√√√青少年們不僅能完成安裝，更使他們有自己操作制作的成功感。15-24歲√√√這是Arduino機(jī)器人小車(chē)黃金教育群體，包含了初中生、高中生以及大學(xué)生。它更是對(duì)學(xué)生們電子科學(xué)教育的一個(gè)良好載體。電子愛(ài)好者√√√√對(duì)于電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，更重要的是對(duì)于Arduino軟件的更進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與運(yùn)用。2.6存在問(wèn)題通過(guò)對(duì)現(xiàn)有Arduino智能小車(chē)結(jié)構(gòu)和的詳細(xì)分析，并且閱讀大量報(bào)告、上網(wǎng)查詢(xún)了解智能小車(chē)的安裝制作過(guò)程，以及通過(guò)對(duì)于Arduino小車(chē)的使用者使用情況（安裝、拆卸情況與小車(chē)在不同場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況）的調(diào)查詢(xún)問(wèn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有小車(chē)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行仍存在一些問(wèn)題：1.美觀問(wèn)題Arduino機(jī)器人小車(chē)，其部分用戶(hù)對(duì)象為初、高中生。現(xiàn)有小車(chē)整體較為普通，且顯得復(fù)雜，對(duì)于孩子的求知欲、探索欲，起不到一定的刺激，亦不能達(dá)到我們的最終目的--學(xué)中做-做中學(xué)。2.排線(xiàn)問(wèn)題在一個(gè)長(zhǎng)20cm左右的底板上，元件數(shù)量多且排布復(fù)雜，在安裝時(shí)的導(dǎo)線(xiàn)排布耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)且錯(cuò)誤率高。3.防呆問(wèn)題防呆：是一中預(yù)防矯正的約束手段，運(yùn)用避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的限制方法，讓操作者不需要花費(fèi)注意力、也不需要經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可直接無(wú)誤地完成正確的操作。在工業(yè)設(shè)計(jì)上，為了避免使用者的操作失誤造成機(jī)器或人身傷害，會(huì)針對(duì)這些可能發(fā)生的情況來(lái)做預(yù)防措施，稱(chēng)為防呆。小車(chē)內(nèi)部元件安裝，以及連線(xiàn)都缺少防呆設(shè)計(jì)。4.輪履切換問(wèn)題在實(shí)際使用中，不同場(chǎng)景下的操作需要不同底盤(pán)，在平坦路面多實(shí)用輪式結(jié)構(gòu)，在沙石地多使用履帶式底盤(pán)，但在輪式和履帶式之間切換麻煩，拆卸困難，在切換之后需要重新調(diào)試，且履帶式底盤(pán)攜帶困難，搬運(yùn)困難。5.充電問(wèn)題現(xiàn)有產(chǎn)品中，電源提供只有電池，電池盒多數(shù)安裝在電路板的底部，隱藏在其他元件的下面，在更換電池充電時(shí)，拆卸困難。設(shè)計(jì)改良與設(shè)計(jì)方案比較3.1設(shè)計(jì)定位3.1.1使用人群定位和分析該款產(chǎn)品主要針對(duì)K12教育人群暨中小學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，該年齡段的人群一般處于認(rèn)知階段，對(duì)新鮮事物有著很強(qiáng)的好奇心，對(duì)于外觀要素便是新穎，有新鮮感，該人群主要都是未成年的孩子，整體車(chē)不能把細(xì)小零件暴露在外，以防誤吞，且受到身體體制的影響，要求產(chǎn)品重量不宜過(guò)重，對(duì)使用材料有一定的要求，方便拆卸。另外作為學(xué)生需培養(yǎng)邏輯清晰，思路清晰的意識(shí)，所以要求產(chǎn)品在安裝過(guò)程中順序鮮明，易于理解。由于使用人群較廣，對(duì)于主要的零件要求易于生產(chǎn)。3.1.2使用環(huán)境分析該智能小車(chē)產(chǎn)品使用環(huán)境主要是課堂上的室內(nèi)和室外的數(shù)據(jù)采集與測(cè)試，室內(nèi)地面主要為瓷磚，所以設(shè)計(jì)的小車(chē)的車(chē)輪和履帶必須防滑，室內(nèi)授課需要對(duì)車(chē)的內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行講解，所以要求汽車(chē)外殼需獨(dú)立于底盤(pán)，且易于拆裝，長(zhǎng)時(shí)間的使用對(duì)于小車(chē)的電源也有著不小的挑戰(zhàn)。對(duì)于室外的使用，地形并不是一直很平坦，所以要求產(chǎn)品需要把重要的零部件保護(hù)起來(lái)。且室外環(huán)境變化莫測(cè)，對(duì)于產(chǎn)品的防塵散熱有著必要的要求，在運(yùn)行過(guò)程中為了防止由于砂礫等的影響，應(yīng)該把傳動(dòng)，動(dòng)力裝置置于內(nèi)部隱藏起來(lái)。3.1.3產(chǎn)品定位通過(guò)對(duì)市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果以前對(duì)使用人群和使用環(huán)境的綜合分析，該產(chǎn)品的定位為智能模塊化，產(chǎn)品的功能定位為輪履自動(dòng)切換，USB充電。該產(chǎn)品的特點(diǎn)為重量輕，拆卸方便，易于安裝等特點(diǎn)。生產(chǎn)要求為自主設(shè)計(jì)的零件需要制作簡(jiǎn)單，材料便宜。3.2設(shè)計(jì)思路本文中，由于是直接選用現(xiàn)有的Arduino主板或自主設(shè)計(jì)的主板，所以并未涉及到Arduino軟件程序的編程。主要工作為改良現(xiàn)有Arduino機(jī)器人小車(chē)，對(duì)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)改進(jìn)。前文提出小車(chē)外形普通、沒(méi)有新鮮感。由于現(xiàn)有產(chǎn)品都是以元件直接裸露形式為主的小車(chē)，所以可以考慮在不影響小車(chē)整體功能的情況下，與設(shè)計(jì)的新型底盤(pán)相結(jié)合，為小車(chē)設(shè)計(jì)出一款車(chē)頂殼。這樣，不僅僅是為美觀性考慮，還可以對(duì)整個(gè)小車(chē)內(nèi)部元件起到保護(hù)作用，一舉兩得。其次小車(chē)底盤(pán)車(chē)架是整個(gè)Arduino小車(chē)中年所占面積最大的部件，它不僅起支撐起整個(gè)小車(chē)的作用，更是小車(chē)受到外力碰撞是首先受力的部分。所以對(duì)于小車(chē)的底盤(pán)材料選取必須嚴(yán)謹(jǐn)。現(xiàn)有許多產(chǎn)品大多采用薄板塑料為小車(chē)底盤(pán)，而我認(rèn)為，在小車(chē)具有一定速度時(shí)，如果碰撞到硬物，會(huì)造成小車(chē)底盤(pán)裂開(kāi)、破損等問(wèn)題，所以暫時(shí)打算采用一些硬度較好的材料作為小車(chē)底盤(pán)，例如薄板合金。還有針對(duì)小車(chē)排線(xiàn)雜亂這一問(wèn)題，安裝、拆卸過(guò)程中會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。我打算采取將小車(chē)內(nèi)元件分類(lèi)，模塊化的方法解決這一問(wèn)題。將小車(chē)底盤(pán)劃分不同區(qū)域，將元件模塊合理的布局在底盤(pán)上；或是將所有元件空間布局在一定范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)目的。對(duì)于輪履切換問(wèn)題，單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的底盤(pán)，通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式的同車(chē)自動(dòng)更換。最后的防呆設(shè)計(jì)方面，我認(rèn)為，小車(chē)上面具體的元器件，由于本身大小問(wèn)題，不需在做其他防呆設(shè)計(jì)；對(duì)于連線(xiàn)方面，利用Arduino平臺(tái)的電路閉環(huán)的特點(diǎn)，可采取一個(gè)電路閉環(huán)使用一種顏色來(lái)連接，或同樣功能的線(xiàn)使用一個(gè)顏色，這可初步作為連線(xiàn)的防呆設(shè)計(jì)。3.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析1098109812341234圖3.1Arduino機(jī)器人小車(chē)表3.1小車(chē)內(nèi)部元器件序號(hào)名稱(chēng)數(shù)量圖片1強(qiáng)磁抗干擾減速電機(jī)22防滑車(chē)輪43小車(chē)底盤(pán)14ArsuinoUNO主板鋰電池15Arduino轉(zhuǎn)接板16藍(lán)牙模塊171×2節(jié)5號(hào)電池盒18鋰電池29舵機(jī)云臺(tái)210超聲波感應(yīng)模塊111安裝固定零件（盤(pán)頭螺釘、銅柱、面包線(xiàn)等）若干3.4設(shè)計(jì)改良主要內(nèi)容鑒于以上機(jī)器人小車(chē)，外觀普通、排線(xiàn)凌亂、輪履切換困難、電池拆卸困難與缺少防呆設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題和項(xiàng)目的基本要求，對(duì)于現(xiàn)有的小車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面改良，主要內(nèi)容為：1.設(shè)計(jì)出一款具有車(chē)殼的Arduino機(jī)器人小車(chē)，使得小車(chē)外觀具有一定的吸引力，能夠吸引人主動(dòng)去了解、探索、研究機(jī)器人小車(chē)，因?yàn)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)將會(huì)達(dá)到事半功倍的效果；2.由于小車(chē)底板面積較小，采用分散元器件的方式，來(lái)解決排線(xiàn)凌亂的問(wèn)題；3.設(shè)計(jì)出一款智能小車(chē)底盤(pán)，功能要求可以實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式之間的同車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并設(shè)計(jì)出詳細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。4.元件的防呆設(shè)計(jì)，可以采用元件與其安裝位置顏色相同的方式；連線(xiàn)的防呆設(shè)計(jì)，亦可以用不同的顏色來(lái)區(qū)分。3.5設(shè)計(jì)方案及工作原理3.5.1方案一：方案草圖：3.10方案一草圖3.11動(dòng)力轉(zhuǎn)換示意圖3.12輪履轉(zhuǎn)換核心機(jī)構(gòu)3.13轉(zhuǎn)換過(guò)程草圖b.工作原理與轉(zhuǎn)換過(guò)程：四連桿機(jī)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)。左右側(cè)車(chē)輪分別為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，兩四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，通過(guò)兩嚙合齒輪連接，單側(cè)由履帶轉(zhuǎn)換為輪式過(guò)程為：電機(jī)帶動(dòng)其中一個(gè)齒輪，兩齒輪反向旋轉(zhuǎn)，兩四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)履帶繞固定軸旋轉(zhuǎn)，履帶逐漸離開(kāi)地面，車(chē)輪接觸地面，當(dāng)履帶運(yùn)動(dòng)到限位銷(xiāo)時(shí)機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)履帶前側(cè)與地面平行，轉(zhuǎn)換完畢。當(dāng)由輪式轉(zhuǎn)換為履帶時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，原理相同。3.5.2方案二：方案草圖：3.14方案二草圖3.15轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與齒輪細(xì)節(jié)3.16框架俯視圖3.17框架工作原理與工作過(guò)程：3.18轉(zhuǎn)換過(guò)程草圖b.工作原理與工作過(guò)程：錐齒輪與直齒輪、齒條的結(jié)合。履帶與齒條槽為一體，車(chē)輪固定在齒條上。單側(cè)由履帶轉(zhuǎn)換為輪式過(guò)程為：電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪將垂直于前進(jìn)方向動(dòng)力轉(zhuǎn)換成平行于前進(jìn)方向，騅齒輪帶動(dòng)長(zhǎng)直齒輪旋轉(zhuǎn)（直齒輪四分之三有齒），帶動(dòng)齒條向外側(cè)伸出，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)二分之一時(shí)，齒條移動(dòng)到最遠(yuǎn)位置并停止移動(dòng)，齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶與齒條槽繞齒輪軸旋轉(zhuǎn)，將履帶抬起車(chē)輪放下，轉(zhuǎn)換完畢。當(dāng)由輪式轉(zhuǎn)換為履帶時(shí)，履帶齒條槽復(fù)位，然后齒輪帶動(dòng)齒條縮回，完成轉(zhuǎn)換。3.5.3方案三：方案草圖：3.19方案三草圖3.20核心機(jī)械結(jié)構(gòu)b.工作原理與工作過(guò)程：經(jīng)典飛機(jī)起落架簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)為支撐機(jī)構(gòu)并不參與傳動(dòng)，單側(cè)三車(chē)輪為一個(gè)整體，此裝置安裝在每?jī)绍?chē)輪之間，智能小車(chē)分為正反兩面，當(dāng)需要輪履切換時(shí)，手動(dòng)將汽車(chē)翻轉(zhuǎn)，將車(chē)輪或者履帶旋轉(zhuǎn)至垂直于底盤(pán)即可。3.6設(shè)計(jì)方案比較通過(guò)上面三種方案的初步確定，最終進(jìn)行方案對(duì)比，選出最為合適的一款方案。表3.5方案對(duì)比對(duì)比序號(hào)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)方案一使用四履帶設(shè)計(jì)，運(yùn)行更穩(wěn)定，符合輪式底盤(pán)提高的要求對(duì)輪履轉(zhuǎn)換的場(chǎng)景要求高，動(dòng)力需求更大方案二節(jié)約體積結(jié)構(gòu)緊湊，輪履轉(zhuǎn)換時(shí)間段轉(zhuǎn)換過(guò)程中履帶容易磨損，由于履帶摩擦力大，在輪式轉(zhuǎn)換為履帶時(shí)，消耗電量大方案三攜帶方便，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)單在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要人為干預(yù)根據(jù)對(duì)三種方案的對(duì)比，最終確定對(duì)方案一進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，方案一相對(duì)于方案二來(lái)說(shuō)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械結(jié)構(gòu)占用空間小，零件分化少，方便生產(chǎn)，成本低。相對(duì)于方案三來(lái)說(shuō)，方案三機(jī)械結(jié)構(gòu)占用空間大，留給電子元件的空間過(guò)于狹小，且小車(chē)上下面均被車(chē)輪和和磁帶覆蓋，不方便安裝與拆卸，且傳動(dòng)裝置跟隨車(chē)輪和履帶支架運(yùn)動(dòng)，連接的導(dǎo)線(xiàn)容易松動(dòng)，接觸不良，容易損壞。要素分析與展開(kāi)設(shè)計(jì)4.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維模型的構(gòu)建圖4.1三維模型圖（未渲染）4.2尺寸分析根據(jù)小車(chē)所包含的Arduino主板、Arduino其他相配套的零部件與履帶電機(jī)傳動(dòng)裝置等都擁有自己的固有尺寸。根據(jù)元件原有尺寸，通過(guò)solidworks建模，最終得到小車(chē)整體尺寸。圖4.2主視圖尺寸圖4.3側(cè)視圖尺寸4.3材料要素分析一款產(chǎn)品的整體外觀與色澤，和材料的選取緊密相關(guān)。Arduino機(jī)器人小車(chē)中，例如電機(jī)、Arduino主板、擴(kuò)展板、電池盒、舵機(jī)云臺(tái)等一系列內(nèi)部元件，都是具有本身的大小尺寸、顏色，且制作的材料也是一定的，不需要考慮。所以，對(duì)于創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的小車(chē)來(lái)說(shuō)，需要對(duì)小車(chē)底盤(pán)支架與小車(chē)外殼等的材料進(jìn)行確定。小車(chē)底盤(pán)材料選?。盒≤?chē)底盤(pán)是整個(gè)小車(chē)中所占面積最大的一個(gè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)小車(chē)運(yùn)行發(fā)生碰撞時(shí)，也是最先受力的部分，所以小車(chē)底盤(pán)的材料選擇尤為重要。當(dāng)前大部分小車(chē)由于所搭載的元器件的質(zhì)量和固定要求都是非常低的，所以都是選用硬性塑料為小車(chē)底盤(pán)，但是硬性塑料雖然加工方便，且具有一定硬度，但是對(duì)于目前改良過(guò)的的小車(chē)來(lái)說(shuō)，增加了大部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，小車(chē)重量也隨之提升，當(dāng)小車(chē)具有一定的運(yùn)行速度時(shí)，發(fā)生碰撞會(huì)使底盤(pán)碰撞部分由于無(wú)法承受慣性沖擊發(fā)生碎裂等情況，硬度仍然不夠。在查閱資料與目前市場(chǎng)上的履帶小車(chē)后發(fā)現(xiàn)，合金材料與亞克力板都具有較好的硬度。并且考慮到小車(chē)底盤(pán)承擔(dān)著支撐整體車(chē)殼固定履帶的作用，材料需要較強(qiáng)的強(qiáng)度，亞克力板大部分不具有較好的強(qiáng)度，但在雨天，潮濕環(huán)境下，合金容易腐蝕生銹，所以最終選取質(zhì)量較輕的鋅合金作為小車(chē)底盤(pán)材料。表4.1底盤(pán)材料性能材料特點(diǎn)Zamak3（3號(hào)鋅合金）具有一定硬度；鑄造性能好，可以壓鑄形狀復(fù)雜、壁薄的精密件，鑄造表面光滑；可以進(jìn)行表面處理：電鍍、噴漆、拋光、磨研；有很好的常溫機(jī)械性能；可回收率高，具有較好的環(huán)保性；小車(chē)車(chē)殼的材料選?。很?chē)殼表面為多塊三角形拼接完成，加工較為簡(jiǎn)單，對(duì)于材料的要求主要為，有一定硬度、方便加工材料韌性好。同底盤(pán)一樣，車(chē)殼也需要具有一定的硬度（硬度要求相較于小車(chē)較低），同時(shí)外殼代表了整體小車(chē)的美觀性，應(yīng)選取一些色澤較亮、較光滑的材料。經(jīng)過(guò)上網(wǎng)搜尋與資料查找，最終選定亞克力板作為小車(chē)車(chē)殼材料。表4.2車(chē)殼材料性能材料特點(diǎn)亞克力板（有機(jī)玻璃）耐候耐酸堿性能好；抗沖擊強(qiáng)，是普通玻璃的十六倍；絕緣性能優(yōu)良；可塑性強(qiáng)，加工成型容易；可回收率高，具有較好的環(huán)保性；Arduino機(jī)器人智能小車(chē)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝；主要是以小車(chē)底盤(pán)為基本，在小車(chē)底盤(pán)上安裝固定電池盒、車(chē)輪、電機(jī)等；Arduino主板與Arduino轉(zhuǎn)接板相連，使其擴(kuò)展更多的應(yīng)用；藍(lán)牙模塊與Arduino轉(zhuǎn)接板相連；超聲波感應(yīng)模塊與舵機(jī)云臺(tái)相連；各個(gè)元器件與Arduino主板、Arduino開(kāi)發(fā)板之間用面包線(xiàn)相連。Arduino機(jī)器人小車(chē)的設(shè)計(jì)中，較難的是Arduino軟件程序的編程，本文中并未設(shè)計(jì)到軟件編程。所以，相對(duì)來(lái)說(shuō)是Arduino小車(chē)的安連接是比較簡(jiǎn)單的。4.4設(shè)計(jì)改良主要內(nèi)容4.4.1輪履切換底盤(pán)設(shè)計(jì)由于在運(yùn)行過(guò)程中，履帶模式與車(chē)輪模式的底盤(pán)和地面的距離是不同的，履帶模式下，所處的環(huán)境大多為復(fù)雜地形或者對(duì)汽車(chē)機(jī)動(dòng)性能有所要求，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量保證履帶模式下小車(chē)底盤(pán)距離地面較近，以保證小車(chē)的整體穩(wěn)定性。但在車(chē)輪模式時(shí)，底盤(pán)高度要求就沒(méi)有那么高。我們所考慮的是小型智能小車(chē)，所以一些同軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)在動(dòng)力方面并不能達(dá)到要求，并不適合使用占用空間小，效率較高的同軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，只能考慮，通過(guò)一些不需要太大力矩的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶的旋轉(zhuǎn)與輪式的轉(zhuǎn)換，在三個(gè)方案中選擇方案一進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，也是主要考慮了轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在Arduino平臺(tái)的可行性，相比于方案一，方案二機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件要求較多。在動(dòng)力分配上，一定是消耗最少的能量實(shí)現(xiàn)功能才是最好的，所以在能量消耗上并不能占用整車(chē)太多的動(dòng)力。根據(jù)以上幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求，最終確定用四連桿機(jī)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)，進(jìn)行小型化，動(dòng)力集中，左右對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)中考慮到到履帶的旋轉(zhuǎn)角度為60度，在不發(fā)生干涉的情況下，對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸分析與設(shè)計(jì)，最終確定四連桿機(jī)構(gòu)由17mm的固定桿、30mm的履帶支架變形桿、17mm、9mm的二號(hào)桿和驅(qū)動(dòng)桿組成。四組四連桿機(jī)構(gòu)由錐齒輪和傳動(dòng)桿連接最終由一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)。圖4.4四連桿機(jī)構(gòu)圖4.5傳動(dòng)裝置圖4.6四連桿第一位置圖4.7四連桿第二位置4.4.2小車(chē)排線(xiàn)設(shè)計(jì)現(xiàn)有小車(chē)排線(xiàn)：Arduino主板Arduino主板圖4.8現(xiàn)有小車(chē)排線(xiàn)小車(chē)的排線(xiàn)與小車(chē)內(nèi)部元器件的排布方式緊密相關(guān)。圖3.11是現(xiàn)有小車(chē)的排線(xiàn)方式，由圖可知，小車(chē)內(nèi)部的電池盒、脫機(jī)云臺(tái)、指示燈、電機(jī)等一系列元件都與Arduino主板相連。所以Arduino主板的位置確定了排線(xiàn)方式?，F(xiàn)有小車(chē)中，都將Arduino主板與Arduino擴(kuò)展版安裝在小車(chē)底盤(pán)上，在面積有限的底盤(pán)上安裝了Arduino小車(chē)全部的元件，必然就造成了排線(xiàn)凌亂無(wú)序的局面。由于造成排線(xiàn)凌亂無(wú)序的主要原因是小車(chē)內(nèi)部元件都是以Arduino主板為中心而進(jìn)行連線(xiàn)，總體解決這一問(wèn)題的初步構(gòu)想：分散內(nèi)部元器件使內(nèi)部有足夠的空間進(jìn)行排線(xiàn)。思路一：小車(chē)主體部分分為兩層，將Arduino主板與Arduino擴(kuò)展板單獨(dú)安裝在上層，其與元器件安裝在下層。這樣的構(gòu)建方式，不僅僅為底盤(pán)其余元器件提供足夠的安裝位置，更有利于為以后的元件添加。其次，在小車(chē)底盤(pán)前半段將超聲波感應(yīng)裝置安裝在較高位置，使超聲波感應(yīng)裝置部分形成獨(dú)立于小車(chē)底盤(pán)外的另一部分。這樣，Arduino板與超聲波感應(yīng)裝置，不僅為底盤(pán)騰出充足的安裝空間，更是與小車(chē)底盤(pán)之間形成一定的高度差，上下、前后的排線(xiàn)井然有序。思路二：為小車(chē)設(shè)計(jì)車(chē)殼。使Arduino主板與Arduino擴(kuò)展板與車(chē)殼使用螺釘固定安裝，并非與底盤(pán)連接；使超聲波感應(yīng)裝置與車(chē)殼連接，在不使用小車(chē)時(shí)，可以將超聲波裝置置于車(chē)殼內(nèi)部，使用小車(chē)時(shí)，將裝置取出通過(guò)卡扣固定在車(chē)殼上，達(dá)到了分散元器件的目的，也是解決了小車(chē)排線(xiàn)凌亂的問(wèn)題。4.4.3小車(chē)外觀造型設(shè)計(jì)現(xiàn)有小車(chē)外觀：圖4.9Arduino機(jī)器人小車(chē) 圖4.10Arduino機(jī)器人小車(chē)（1）現(xiàn)有Arduino機(jī)器人智能小車(chē)，如圖3.2所示大部分的外觀都采用元件裸露，并沒(méi)有設(shè)計(jì)制作具體的小車(chē)車(chē)殼外觀。這樣的元件裸露形式，它便于對(duì)小車(chē)的研究與操作，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，能夠更加直觀的了解小車(chē)內(nèi)部具體元器件。但是它的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)。首先普通的小車(chē)外觀，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)不夠具備吸引力，難以進(jìn)一步引起用戶(hù)對(duì)于小車(chē)進(jìn)一步了解的興趣；其次元件直接裸露在空氣中，內(nèi)部元器件在高溫、強(qiáng)光等一系列外來(lái)因素下，可能受到損壞，這樣的外觀形式?jīng)]有對(duì)內(nèi)部元件起到保護(hù)作用。（2）現(xiàn)有的另一部分Arduino機(jī)器人智能小車(chē)，有少部分采用圖3.3小車(chē)的外觀造型。這類(lèi)小車(chē)，相較于圖3.2所示小車(chē)，增添了整體小車(chē)車(chē)殼。這款小車(chē)采用整體車(chē)殼封閉的外觀形式，小車(chē)的美觀性有了很大提升，且由于車(chē)殼的設(shè)計(jì)，對(duì)于小車(chē)內(nèi)部元器件起到保護(hù)作用。但是，這款小車(chē)車(chē)殼采用整體封閉形式，車(chē)殼加小車(chē)底盤(pán)，六面都采用螺絲固定，這樣對(duì)于小車(chē)在安裝與拆卸造成了很大的不便；且小車(chē)的電池需要經(jīng)常更換充電，封閉式的安裝，對(duì)電池的更換也造成不便；同時(shí)，小車(chē)各個(gè)元器件都安裝在封閉的結(jié)構(gòu)中，造成內(nèi)部元器件的擁擠，不利于排線(xiàn)。小車(chē)底盤(pán)偏低，運(yùn)行中容易出現(xiàn)剮蹭現(xiàn)象，導(dǎo)致車(chē)殼底部受損，進(jìn)而影響內(nèi)部元件的正常運(yùn)行。對(duì)小車(chē)外觀進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，根據(jù)目前設(shè)計(jì)的小車(chē)底盤(pán)和生產(chǎn)要求，為小車(chē)設(shè)計(jì)一款封閉式外殼。根據(jù)生產(chǎn)要求與美觀要求，設(shè)計(jì)了一款整體由多塊三角形等平面造成的、通過(guò)拼接與折疊等安裝方式組裝在一起。前方兩塊四邊形板材由于超聲波套頭的露出要求，設(shè)計(jì)成可折疊的結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)將前方打開(kāi)固定，便可工作。小車(chē)底部外殼的連接結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)螺絲的固定將整個(gè)底部殼體固定在底盤(pán)支架上，小車(chē)上部外殼較為復(fù)雜，主要為將中間平面部分與底盤(pán)支架進(jìn)行螺絲固定，其他三角形外殼通過(guò)外殼框架進(jìn)行固定，方便拆卸。圖4.11小車(chē)上部外殼 圖4.12小車(chē)底部外殼圖4.13連接結(jié)構(gòu) 圖4.14外殼之家4.4.4防呆設(shè)計(jì)防呆設(shè)計(jì)：防呆設(shè)計(jì)是一種預(yù)防矯正的行為約束手段，運(yùn)用避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的限制方法，讓操作者不需要花費(fèi)注意力、也不需要經(jīng)驗(yàn)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可直接無(wú)誤地完成正確的操作而做的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有小車(chē)僅有部分具有防呆設(shè)計(jì)，就小車(chē)元件的安裝來(lái)說(shuō)，由于元件自身大小尺寸，安裝元件時(shí)安裝位置不易出錯(cuò)。對(duì)元件安裝做簡(jiǎn)易防呆設(shè)計(jì)，可以在小車(chē)底盤(pán)與元件之間標(biāo)注序號(hào)，例如安裝電池盒，可以在安裝小車(chē)底盤(pán)安裝電池盒的位置標(biāo)注序號(hào)①，且在電池盒底部也標(biāo)注序號(hào)①。其次，對(duì)于連線(xiàn)時(shí)的防呆設(shè)計(jì)。由于小車(chē)連接時(shí)所用連線(xiàn)較多，且元件之間所用連線(xiàn)也不相同，可以使用不同元件不同顏色的連線(xiàn)來(lái)作為簡(jiǎn)易的防呆設(shè)計(jì)。4.5效果圖渲染圖4.15整體渲染圖設(shè)計(jì)總結(jié)與未來(lái)展望5.1全文總結(jié)我國(guó)從一個(gè)發(fā)展中國(guó)家到今日成為發(fā)展一個(gè)發(fā)展大國(guó)，付出的一代代國(guó)人的共同努力、付出。其中在科技上的發(fā)展尤為矚目，載人飛船的發(fā)射成功、無(wú)人機(jī)的問(wèn)世、智能機(jī)械的發(fā)展一系列的成功讓我們?yōu)橹院?。?dāng)今智能產(chǎn)品的研制，在我國(guó)發(fā)展中占了不可或缺的地位，Arduino系列小車(chē)可為其中一項(xiàng)。但是當(dāng)前來(lái)說(shuō)，雖然已經(jīng)有了一部分的研究成果，但通過(guò)前期的資料總結(jié)與調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，現(xiàn)有產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上仍可進(jìn)一步做以下改良：1.現(xiàn)有Arduino小車(chē)外觀改良，外觀對(duì)于K12教育人群普遍不具備吸引力2.小車(chē)材料選取的方面，例如許多小車(chē)采用薄板塑料，在小車(chē)的安裝、拆卸或者在調(diào)試使用時(shí)，一些碰撞、摔落，可能輕易使小車(chē)元件或底板出現(xiàn)破損甚至是斷裂，可能會(huì)使小車(chē)運(yùn)行出現(xiàn)不必要的問(wèn)題。進(jìn)過(guò)改良，可選取合金薄板，不僅使小車(chē)整體更加美觀，更可提高小車(chē)的使用性能、運(yùn)行性能。3.最為普遍、與突出的問(wèn)題，是小車(chē)整體排線(xiàn)凌亂。這一問(wèn)題，不僅影響小車(chē)整體美觀性，更加不利于安裝、拆卸，同時(shí)在小車(chē)出現(xiàn)故障時(shí)，非常不利于排查與檢修。而且不規(guī)劃、不整齊的排線(xiàn)，很有可能在小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中造成連線(xiàn)的脫落。通過(guò)對(duì)于小車(chē)上面安裝的元器件的具體位置規(guī)劃，并合理采用連線(xiàn)的長(zhǎng)度來(lái)解決這一問(wèn)題。這樣小車(chē)整體看上去不顯冗雜、車(chē)型更加流暢、美觀，且能更快、更有效的在小車(chē)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行排查。4.現(xiàn)有小車(chē)，對(duì)于各個(gè)元器件與小車(chē)底盤(pán)的連接方式，幾乎都是采取螺釘固定。這樣雖然連接緊固，但是Arduino機(jī)器人智能小車(chē)并不只是說(shuō)一款供人使用的智能