競賽機器人結構研制

【摘 要】本文介紹了亞太大學生機器人大賽國內選拔賽競賽機器人的研制，闡述了競賽型機器人的創意與機械結構設計，并以搬運木塊手動機器人為研究對象對競賽機器人的功能、特征、工作過程等問題做了較為詳細的分析和研究。

【關鍵詞】機器人 創意設計 機械結構

【中圖分類號】TP242.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）02-0027-02

一 引言

從2002年開始，中央電視臺每年舉辦一屆的亞太大學生機器人大賽國內選拔賽，機器人競賽是一項很好的科技創新活動，不僅易于激發興趣，而且綜合了機械結構、制作、控制等多學科的知識，通過機器人競賽，較好地推動學校素質教育工作。全國多所高校積極響應并制作機器人參加競賽，筆者在總結了往屆機器人研制過程，研制了符合2008年競賽要求的自動機器人。

二 比賽規則簡介

圖1 比賽場地圖

“競技牛郎”是本屆選拔活動的主題，根據規則，每個參賽隊由來自同一所大學的4名成員組成，其中包括3名學生和l名指導老師。參賽隊操作紅隊和藍隊操作手動機器人和自主機器人，試圖夠著放在高處的黃油碗，并將黃油塊拿走。有的機器人也試圖“偷取”由少女拿著的盛有奶酪球的陶罐。從放在高處的瓷碗中拿走黃油就可得分。把陶罐或奶酪球移至籃筐中也可以得分。從瓷碗中直接抓取三塊黃油并將它們舉到空中的隊將成為“牛郎”（勝利者），每場比賽的時間為3分鐘。

圖1中比賽場地外圍為手動車區域，手動區和自主區手動機器人可在手動區自由運動，但不能進入自主區。自主機器人可在自主區自由運動，但不能進入手動區。

籃筐是500mm×250mm的

矩形區域。陶罐和由少女處“偷”

來的奶酪存放在這里。共有四個

籃筐，每個籃筐用50mm高、

30mm厚的木欄圍著，見圖2。

機器人重量的限制：總重不

得大于50kg，電源電壓不得超過

DC24VO。

三 手動機器人方案的制訂與實施

根據比賽規則要求，手動機器人：主要任務是完成陶罐和奶酪的取放。它由參賽隊員用遙控器控制其行走路線。手動機器人的活動范圍只限在手動區和公共區，它的任何部分不能進入自動區。根據往屆比賽經驗，自動機器人出發后有時會因為互相碰撞等原因出現“死機”，具有取放黃油能力的只剩下在自動區外活動的手動機器人，所以從某種程度上說，手動機器人是贏得比賽的關鍵。

1.手動機器人方案

手動機器人采用PS/2手柄控制，小車需要強度較高同時要運行平穩，需要大扭矩電機提高前進速度，采用直流電

機的后驅動，在轉彎時只需要調整電機的轉速即可。車上設計有可以升降的機械手，將陶罐和奶酪抓起后，升或降放到相應的籃框內，機械手的升降采用豎直導軌配以滑動軸承，采取電機拖動柔絲繩實現；為了在最少的時間取放更多的陶罐和奶酪，設計了串并相結合結構的V字形結構的4個機械手。由于帶有引入角的機械手取放陶罐時不但不需要精確定位，同時可以拿取4個陶罐，減少了輔助時間，提高了工作效率。

圖3 手動機器人展開圖

2.手動機器人

手動車車體長寬的確定，手動機器人啟動區是1000mm×1000mm的方形區域，也就是說手動車在啟動時，長和寬的尺寸不得超出這個范圍。一般會認為車體的長和寬越大越好，因為車體越大，其穩定性會越好，但是如果太大的話，車體在轉彎時就會不夠靈活，增大轉彎半徑。考慮手動車要一次性拿取4個陶罐的要求，所以其尺寸也不能過小，以免影響其行走和轉彎時的穩定性，這樣經過綜合考慮后，最后將車體的尺寸決定為450mm×400mm的方形框架，這樣兩方面的優越性可以兼有。考慮到競賽對機器人的重量要求，框架采用25mm×25mm的鋁合金方管制作，見圖4。

四 自動機器人

自動機器人驅動地盤采用了與手動機器人相同原理的結構，只是要在自動機器人啟動區為1000mm×1000mm的方形區域擺放3個機器人，地盤外形尺寸設計為300mm×380mm。

本次比賽所用黃油是由高密度聚乙烯泡沫制作，涂成黃色的立方體放在中央瓷碗中。外側瓷碗中放同樣大小但涂成白色的立方體，每個黃油重量是130g（±20g），為200mm立方體，見圖5。考慮到競賽機器人能順利地將黃油在不同的切入角度都能抓取到并投放到戰車上，所以機械手的夾緊設計要利用黃油外表面做夾緊面。故設計機械手結構見圖6。

圖4 手動機器人底盤 圖5 黃油，白色黃油

機械手夾緊黃油是利用橡皮膠管依靠自身的彈性收緊，夾在機械手的脖頸處，機械手和機械手臂支架鉸接，機械手的后端用尼龍繩連接到電機的絞輪上，當電機通電轉動絞輪，收緊繩子，從而張開機械手，到極限位置后，觸動行程開關，電機反轉，松開繩子，利用橡皮膠管依靠自身的彈性收緊，抓取黃油。

機械手的張開閉合采用杠桿結構，這樣可以保持有效的夾緊力，同樣在絲杠上可以進行限位，以防過載。轉位機構采用齒輪傳動，用行程開關在極限位置控制轉位角度。

1.機械手尺寸的確定

機械手圓弧區形狀應以從不同的角度剛好抱緊正方體四個面為最佳尺寸，所以得在機械手的圓弧區加裝立柱，直徑為40mm的不銹鋼空心骨架外置海綿體，所以設計機械手圓弧段直徑為320mm，直桿和圓弧段切線垂直，以保證最大的拉動力臂，從而減少電機的扭矩。

2.與機械手相連電機的扭矩

由機械手的設計，可知拉力F與積黃油給機械手的反作用力F′的關系為：F′=0.71F，又知機械手與黃油之間的摩擦系數為μ=0.5，當機械手拿起三個積木塊時，F′·μ=G，所

以 ，進而可得 ，以該電機

的轉矩 （N·m），至此，就可以

根據這些參數初步地選用合適的電機。

3.手臂提升結構

當機械手取到黃油以后，必須將手臂提升，才能將黃油從瓷碗中取出，所以就需要設計手臂提升機構。采用了簡單的杠桿原理，在另一端設置了可以收放的帶轉輪的電機和連接繩，采用繩拖動，讓手臂停放在任何一個需要的位置，手臂移動時具有較好的連續性。

五 結論

本文從頭到尾一直灌輸了一種思想，就是用比較簡單的方式、方法來完成功能，2008年亞太大學生機器人大賽國內選拔活動于2008年5月20日在北京首鋼籃球中心舉行，共有39所高院報名，參與了此次大學生機器人大賽的角逐。本文研究和實現的這種競賽機器人，有其較好的競賽優勢，特別是兼顧了在實現策略、效率、可靠性等各方面的因素，優勢明顯，具有較高的穩定性和推廣意義。

參考文獻

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