FRC比賽用機器人的整體設計

陶冶

摘要：文章根據FRC比賽規則，有針對性地對參賽機器人的機械結構、程序控制以及電氣部分進行設計、選型，以實現比賽用機器人相關功能。

關鍵詞：FRC比賽;機械結構;原理

FRC比賽是由一項美國FIRST主辦、面向全球中學生的工業級機器人競賽，是全球最具影響力的青少年機器人賽事之一。根據比賽要求，參賽團隊需對參賽機器人進行設計、研發、組裝及調試，其中機械結構設計要求機器人結構穩固，能穩定行走運動，無振動搖擺，機械臂夾持穩定，工作效率高;程序設計要求編程命令簡單，程序運行穩定，遙控裝置通信暢通;機器人的電氣部分按照比賽規定使用合適的零部件。

一、機械結構設計

在結構設計上，要使機械臂夾取物品，將物品搬運到一定高度的平臺上，并使機械臂保證夾持穩定不掉落，抬升裝置保持穩定運行。按照以上要求，設計了以下兩種方案。其中方案一采用二連桿結構進行抬升。鑒于提升需要較大的桿力臂，所以動力采用功率較大的CIM行走驅動電機，兩桿之間用皮帶和同步輪進行鏈接。但是實踐發現該結構存在鋁型材質地太軟、機械臂易斷裂、皮帶易被拉伸形變、抬升力量太小以及不便維護等缺點。方案二采用叉車式抬升裝置，根據蝸輪蝸桿傳動原理，利用鋼絲牽引整體框架上下移動。該方案利用電機帶動鋼絲，力量足夠大，速度快。另外，鋼絲結實不易發生變形和斷裂，也便于更換，并且在蝸輪蝸桿中不易發生位置偏移，是理想的升降結構。

在方案二中，機械臂前段夾緊裝置采用氣動結構，依靠氣壓驅動夾持住箱子，使其在行進或升降過程中不會滑落，且夾取和釋放的速度快，性能穩定，結構簡單，便于維修[1]。

另外，底盤是機器人的重要組成部分，承擔著機身負重和機器行走的功能，確保機器人穩定運行，無振動或晃動。在底盤的選型過程中，分別使用了鋼材和鋁材兩種材質進行實驗。其中鋼材底盤重心低，慣性大，機器人行走穩定，但行進速度慢，靈活性差，會在一定程度上降低機器人工作的效率;鋁材制作的底盤重量相對減輕了許多，對運行的穩定性影響不大，提高了機器人的靈活度。

二、機器人程序設計與功能實現

為了實現機器人程序設計的功能，需進行編程。在Eclipse平臺中引入FRC的環境變量后，利用C++程序語言進行編譯，以控制機器人的動作，實現基本的跑動、轉向和抬升功能，并完成機械臂的抬起放下、夾緊松開等動作。在自動階段，機器人在程序控制下將夾持物品放在平臺上，直行、轉彎等動作則通過主控板調配電機轉動圈數來完成。為了防止機械臂抬升時超出行程范圍，還要進行相關程序設計。即一旦機械臂抬升達到極限，就會觸動微動開關，程序收到微動開關的反饋信號后會使抬升機械臂的電機立即停止轉動。機械臂抬升動作完成后，程序會控制氣動推桿和電機松開夾緊裝置，釋放箱子。機械臂的夾緊依靠氣壓驅動，當儲氣瓶的儲存氣壓下降到80psi時，按程序設定打開電磁閥進行充氣，當儲氣瓶氣壓達到120psi時則停止充氣，以保證安全。

三、機器人電氣部分選型

按照比賽規定，使用額定電壓12V，容量17 Ah～18.2Ah，長約18cm、寬約8cm、高約17cm的電池。另外，電調、配電板的選用也必須依照比賽相關規定。底盤上安裝4個CIM 電機，用來驅動機器人行走，另外安裝一臺CIM 電機驅動機械臂抬升。CIM電機規格為輸入電壓12V，轉速530rpm，輸出功率337W。在機器人機械臂上，驅動收放箱子的是2個VEX-BAG 電機，電機規格為輸入電壓12V，轉速130rpm，功率149W。搭配行星減速箱，通過鏈條傳動以達到減慢速度、增加力量的效果。同時安裝電機于夾子后方，讓夾子重心靠后，防止抬升后力臂過大導致機器人傾倒[2]。

四、結語

對機械結構進行設計與程序優化后，機器人運行穩定，能夠迅速準確地完成遙探指令，順利完成行走、夾持、抬升、搬運功能，出色地完成了比賽任務。

參考文獻

[1]李少遠，王景成.智能控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]楊可楨.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.