基于ROBOMASTER比賽步兵機器人的研究和分析

郭凱 陳陽生 韋鑒芳 翁鈺 周增泰 唐亮 黃博俊

摘? ?要：在ROBOMASTER 2019賽季中，步兵機器人技術(shù)日漸成熟。由于在整個機器人陣容中，步兵數(shù)量多、體積小、靈活性和機動性強，成為機器人陣容中戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行與輸出傷害的主要力量。文章圍繞ROBOMASTER比賽中的步兵機器人，探究機器人的發(fā)射機構(gòu)、彈倉設(shè)計等技術(shù)點。為了研發(fā)出性能更加優(yōu)異的步兵機器人，設(shè)計者在對賽季規(guī)則進(jìn)行了深刻解讀的基礎(chǔ)上，對步兵機器人的各項功能進(jìn)行了需求分析。在設(shè)計層面上，設(shè)計者基于Solid Works建模及其附帶的多種仿真分析軟件構(gòu)建出機器人的三維模型，在搭建好實物后不斷地測試以進(jìn)一步優(yōu)化，最終設(shè)計出可以滿足比賽需求的機器人。步兵機器人在歷年的比賽中為戰(zhàn)隊做出很多貢獻(xiàn)，并創(chuàng)造了多種設(shè)計方法，為類似機器人的研發(fā)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：ROBOMASTER;步兵機器人;發(fā)射機構(gòu);步兵云臺

在ROBOMASTER 2019賽季中，步兵機器人技術(shù)日漸成熟，由于在整個機器人陣容中，步兵有數(shù)量多、體積小、靈活性和機動性強等優(yōu)勢，成為機器人陣容中戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行與輸出傷害的主要力量。為了研發(fā)出性能更加優(yōu)異的步兵機器人，設(shè)計者在對賽季規(guī)則進(jìn)行了深刻解讀的基礎(chǔ)上，對步兵機器人的各項功能進(jìn)行了需求分析。在設(shè)計層面上，設(shè)計者合理地運用懸掛系統(tǒng)以保證步兵機器人底盤的穩(wěn)定性;步兵機器人底盤采用雙層鋁方管形式，在底盤尺寸盡可能小的同時保證了堅固性;更新了工業(yè)相機的固定方式，使自動瞄準(zhǔn)更加穩(wěn)定;更改了彈倉結(jié)構(gòu)，在保證彈容量的基礎(chǔ)上使彈倉更加緊湊。步兵機器人在歷年的比賽中為戰(zhàn)隊做出很多貢獻(xiàn)，并創(chuàng)造了多種設(shè)計方法，為類似機器人的研發(fā)提供了新的思路。

1? ? 研發(fā)背景與意義

作為ROBOMASTER賽場基礎(chǔ)兵種之一，步兵機器人具有較小的體積和最多的數(shù)量，是整個機器人陣容中戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行力最高的機器人兵種，因此，步兵機器人的穩(wěn)定性與效率直接決定了整個戰(zhàn)隊的發(fā)揮水平。步兵機器人在戰(zhàn)場上的主要任務(wù)有：

（1）占領(lǐng)高地，為己方提供敵情。

（2）獲取17 mm小彈丸，對敵方造成有效傷害。

（3）飛坡深入敵后，對基地造成傷害，出其不意。

（4）配合己方機器人，實行戰(zhàn)術(shù)。

在比賽期間，一旦步兵機器人出現(xiàn)狀況，則意味著整個戰(zhàn)隊陷入巨大劣勢，基本沒有勝利的可能性。

2? ? 需求分析

在2020賽季中，步兵機器人的主要任務(wù)有：

（1）打擊神符、哨兵。

（2）飛坡偷家。

（3）上臺階。

（4）補彈。

2.1? 具體需求

經(jīng)過分析，相對應(yīng)的需求有以下幾點：

（1）穩(wěn)定并且高精度的彈道，足夠的彈丸初速度。視覺識別點與擊打點保持一致。

（2）云臺有足夠的強度，避免云臺傾斜甚至云臺掉落的情況。底盤有足夠的強度，質(zhì)量盡量小，能懸掛足夠的行程。

（3）質(zhì)量小、體積小，能穩(wěn)定且流暢地登上臺階。

（4）接到盡量多的彈丸，不漏彈，機器人行進(jìn)在飛坡過程中彈丸不會從彈倉中撒出。

2.2? 可行方案

經(jīng)過討論分析，得出相應(yīng)的可行性比較大的方案：

（1）發(fā)射機構(gòu)重新設(shè)計，更換弧面摩擦輪，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將工業(yè)相機與發(fā)射機構(gòu)剛性連接，作為整體。

（2）Yaw軸軸承座配合深溝軸承與傳動軸，取消焊接，采用雙層鋁方管連接。設(shè)計相應(yīng)的避震座，使得更長行程的避震器可以應(yīng)用在步兵上。

（3）增加一套連桿抬升機構(gòu)。

（4）設(shè)計上部大、下部小的漏斗型彈倉，自鎖撥桿開合彈倉蓋的機構(gòu)。

3? ? 步兵云臺詳細(xì)設(shè)計

3.1? 云臺需要滿足的技術(shù)參數(shù)

Pitch軸俯角不小于30°，仰角不小于45°;Yaw軸可在Pitch軸任意角度相對底盤360°自由旋轉(zhuǎn);發(fā)射機構(gòu)流暢發(fā)射17 mm小彈丸，最大射頻可達(dá)到20發(fā)/s，最大射速可達(dá)到30 m/s;彈倉可容納彈丸數(shù)量不少于250發(fā)。

3.2? 發(fā)射機構(gòu)設(shè)計

3.2.1? 撥彈機構(gòu)

撥彈機構(gòu)影響的是機器人的攻擊力，只有撥彈機構(gòu)不卡彈、供彈快，才能在ROBOMASTER比賽里占據(jù)進(jìn)攻優(yōu)勢，才能讓團隊的戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行更加高效。即所謂的“工欲善其事，必先利其器”。

由2006電機提供動力，使撥輪旋轉(zhuǎn)充分?jǐn)噭訌梻}內(nèi)的彈丸，防止彈丸滯留在彈倉內(nèi)部;并且撥輪帶動撥盤底部的彈丸使得彈丸沿著撥輪切線方向進(jìn)入槍管。通過控制撥輪電機的轉(zhuǎn)速就可以控制彈丸射出的射頻。

在實際測試中，如果撥輪電機轉(zhuǎn)速過快，彈丸會來不及下落而導(dǎo)致空彈;調(diào)節(jié)撥輪電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速在300 r/m時，彈丸可以順利下到撥彈盤底部。在撥輪電機轉(zhuǎn)速達(dá)到極限時還有一定卡彈的概率，主要原因是彈丸卡在入彈口處，這時候控制電機反轉(zhuǎn)將彈丸松動即可解決。

后續(xù)的測試中依然存在頻繁的卡彈現(xiàn)象，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在撥輪撥彈時撥輪受力使得撥輪與撥盤不同心，導(dǎo)致?lián)茌喦芯€與撥盤切線不重合而卡彈。主要原因在于撥輪電機固定件強度不夠，但是因為尺寸和重量的限制又不能一味地加強固定件。于是在撥輪下放置薄壁軸承與推力球軸承，讓軸承承受推出彈丸的反作用力。經(jīng)過測試連續(xù)打出250顆彈丸不會出現(xiàn)明顯的卡彈現(xiàn)象，射頻基本達(dá)到要求。

3.2.2? 發(fā)射機構(gòu)

彈丸經(jīng)過撥彈機構(gòu)進(jìn)入槍管后，需要一個加速的過程，將彈丸發(fā)射出去。這時候就需要一個對轉(zhuǎn)雙輪機構(gòu)，經(jīng)過對轉(zhuǎn)雙輪高速旋轉(zhuǎn)而使彈丸加速彈射出去。對于對轉(zhuǎn)雙輪，雙輪線速度可近似看作彈丸發(fā)射速度。通過給雙輪包膠來增加雙輪對彈丸的摩擦力，雙輪也稱摩擦輪。摩擦輪的中心距、直徑以及包膠材料和軟硬度摩擦系數(shù)影響了摩擦輪對彈丸的摩擦力。摩擦輪的尺寸質(zhì)量決定了摩擦輪的轉(zhuǎn)動慣量。摩擦力與轉(zhuǎn)動慣量在很大程度上決定了摩擦輪對彈丸的加速能力。

通過設(shè)計弧形摩擦輪增大摩擦輪對彈丸的摩擦力。采用與3508直連的方式為摩擦輪提供動力。因為尺寸與質(zhì)量的限制，摩擦輪尺寸不宜過大。在合適的尺寸質(zhì)量下，通過公式：

J=1/2mR2

近似計算得摩擦輪的轉(zhuǎn)動慣量為0.018 9 kg·m2。

在此條件下，設(shè)置摩擦輪包膠材料為聚氨酯，硬度為45，50，55，60的不同組分別進(jìn)行測試。在3508電機轉(zhuǎn)速為214 r/m的條件下，55硬度的摩擦輪對彈丸的加速能力、彈道的精準(zhǔn)度效果最佳。

3.3? 彈倉設(shè)計

2020年補給站一個高度為850 mm，一個高度為600 mm。由于出彈口尺寸較大，距離彈倉也有一定高度，為防止彈丸下落到機器人彈倉過程中出現(xiàn)彈丸散落的問題，決定采用漏斗形結(jié)構(gòu)，在保證彈倉容積的情況下加大了接彈口，減少彈丸散落。

為了配平將重心集中在Pitch軸線上，所以將TX2放置到彈倉后后部配平重量。但是這樣的做法占用了大量彈倉的空間，為保證彈倉容量，須將彈倉加高。通過利用Solid Works的多實體和布爾運算功能計算，彈倉容量在1 112 406 mm3左右，通過球體緊密堆積原理保守計算得理論17 mm彈丸容納數(shù)量為320顆左右。

彈倉變得更深而且主要在撥彈盤上方，使得彈丸更加集中在撥彈盤上方，在步兵仰起云臺打擊哨兵時撥彈盤可以順利撥到彈丸，避免了彈丸滯留在彈倉內(nèi)的情況。彈倉底部為一整塊打印件。彈倉外部本想用鋁合金鈑金折彎，但是考慮到鈑金折彎強度不夠的問題，決定采用板材拼接的方式。2 mm碳板加角件鉚釘拼接，再用螺釘加方形螺母連接到彈倉底部打印件。

彈倉蓋采用撥桿旋出的方式。該設(shè)計的優(yōu)越性在于彈倉蓋閉合時可以與撥桿自鎖，無法在外力的作用下旋開，這就避免了步兵在行進(jìn)過程中因為彈倉開合電機扭矩不夠彈倉打開導(dǎo)致漏彈的情況。

4? ? 結(jié)語

通過實驗的驗證，步兵機器人云臺的設(shè)計達(dá)到了比賽的技術(shù)要求。通過Solid Works建模軟件及其附帶的分析軟件確保了機械運行的可行性。在實際的測試中找出存在的問題，并解決問題，不斷優(yōu)化，確保了機械運行的可靠性與穩(wěn)定性。

步兵云臺的設(shè)計不光為比賽服務(wù)，云臺設(shè)計的許多技術(shù)點都可以應(yīng)用于實際中。而且步兵云臺設(shè)計需要多學(xué)科知識，這激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化了學(xué)生對知識的應(yīng)用，并且提高了學(xué)生對問題的分析能力及解決能力。

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