反重力玩具产品设计

儿童玩具市场的需求已经有了较大的转变。传统玩具结合高科技向电子化智能化发展已是主流。且随着科技的发展、新技术的普及，给设计师带来了极大的机遇。基于Arduino平台设计的电子玩具越来越多。

今天介绍的反重力玩具是浙江工业大学林燕同学的毕业设计作品。产品利用重力感应传感器等电子元件，检测平面倾角变化并计算出平面最高点对应于小车位置的夹角，从而设计出能给玩具反向于重力的力，并使玩具向逆重力方向自动行驶的机构，给人反重力的错觉。这将突破传统玩具的限制，实现儿童与玩具的互动，培养儿童手脑协调能力，让儿童体验与传统游戏所完全不同的游乐体验，实现更大的乐趣。

玩具由反重力小车和可随意倾斜角度的游戏桌组成。游戏开始时，游戏桌处于平衡状态，将小车置于游戏桌之上，小车静止。此时掰动桌面使桌面产生倾斜，小车就会自动感应倾角变化而开向最高点。儿童通过改变桌面倾角大小和方向，使小车开向桌面上的洞口，掉入洞口则为赢。

反重力的概念是通过检测平面倾角变化并计算出平面最高点对应于小车位置的夹角，从而使小车偏转相应角度并向最高点驶去而产生反重力的错觉。在很多领域里都将这种测量平面倾角的技术运用到了不同的地方，如用于汽车上的自动爬坡控制系统（Crawl Control）、船用的主动消除摇晃装置、机器人设计中会使用到的主动顶点稳定装置等。如汽车上的自动爬坡控制系统，启动系统之后，系统可以通过测量坡度倾角而综合控制动力系统和制动系统，从而使车保持恒定低速行驶并最大限度的防止车轮打滑和抱死。驾驶员完全不必担心加速和制动，只需专注于方向控制即可，降低在复杂条件下越野行驶的控制难度，避免车辆底盘与地面发生剐蹭，提升行车稳定性和安全性。

实现小车反重力行驶需要通过读取传感器数据、角度运算、硬件控制等几个步骤来实现的。其中运用到的硬件主要有：UNO R3 开发板、L298N 电机驱动板、N20 直流电机、SG90 9G舵机、MPU6050 六轴加速度传感器模块。

通过MPU6050 六轴加速度传感器模块在静止状态下反馈回来的X、Y、Z三轴的重力加速度的值，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z 三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角。重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图所示，由此可推导出倾角解算公式为：

其中，Ax、Ay、A_z指重力加速度在x,y,z 三轴的分量。

同时，如下图所示，当平面倾斜时，Ax、Ay、A_z是传感器传出的重力加速度在X,Y,Z 三轴的分量，则Axyz即是传感器在倾斜平面上收到的下滑力。小车要实现反重力就需沿着Axyz方向向上行驶。

此时，设小车主动轮的起始方向为X轴方向的话，则小车主动轮需转过θ角使小车沿Axyz的方向前进。由此可推导出小车转向时所需转过的角度为：θ=arctan⁡(Ay/Ax) 得出θ角后，就只需通过编写程序使直流电机和舵机按照要求行驶即可。

而在车身设计上采用三轮驱动的形式。由前端一个可操纵的自由轮和后端两个相连的牵引轮组成。前端的自由轮可操控的自由轮用于控制小车的转向，后端的牵引轮用于控制小车的前进后退。这样就可以同时精确控制转向方向和行驶了。

不同于一般的Arduino作品尺寸较大的通病，为了使产品的尺寸尽量的小巧一些，以更合适儿童游玩，所以通过对小车的内部结构进行再设计，使零件与零件之间尽量的紧凑，以减少多余空间。 将电机和Arduino板、电机驱动板分别放置于有机玻璃板材了两端，更加节省空间。

车轮与车身连接图