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，步兵機器人技術日漸成熟。由于在整個機器人陣容中，步兵數量多、體積小、靈活性和機動性強，成為機器人陣容中戰術執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，探究機器人的發射機構、彈倉設計等技術點。為了研發出性能更加優異的步兵機器人，設計者在對賽季規則進行了深刻解讀的基礎上，對步兵機器人的各項功能進行了需求分析。在設計層面上，設計者基于Solid Works建模及其附帶的多種仿真分析軟件構建出機器人的三維模型，在搭建好實物后不斷地測試以進一步優化，最終設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隊做出很多貢獻，并創造了多種設計方法，為類似機器人的研發提供了新的思路。

關鍵詞：ROBOMASTER;步兵機器人;發射機構;步兵云臺

在ROBOMASTER 2019賽季中，步兵機器人技術日漸成熟，由于在整個機器人陣容中，步兵有數量多、體積小、靈活性和機動性強等優勢，成為機器人陣容中戰術執行與輸出傷害的主要力量。為了研發出性能更加優異的步兵機器人，設計者在對賽季規則進行了深刻解讀的基礎上，對步兵機器人的各項功能進行了需求分析。在設計層面上，設計者合理地運用懸掛系統以保證步兵機器人底盤的穩定性;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;更新了工業相機的固定方式，使自動瞄準更加穩定;更改了彈倉結構，在保證彈容量的基礎上使彈倉更加緊湊。步兵機器人在歷年的比賽中為戰隊做出很多貢獻，并創造了多種設計方法，為類似機器人的研發提供了新的思路。

1? ? 研發背景與意義

作為ROBOMASTER賽場基礎兵種之一，步兵機器人具有較小的體積和最多的數量，是整個機器人陣容中戰術執行力最高的機器人兵種，因此，步兵機器人的穩定性與效率直接決定了整個戰隊的發揮水平。步兵機器人在戰場上的主要任務有：

（1）占領高地，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，實行戰術。

在比賽期間，一旦步兵機器人出現狀況，則意味著整個戰隊陷入巨大劣勢，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

經過分析，相對應的需求有以下幾點：

（1）穩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，質量盡量小，能懸掛足夠的行程。

（3）質量小、體積小，能穩定且流暢地登上臺階。

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

2.2? 可行方案

經過討論分析，得出相應的可行性比較大的方案：

（1）發射機構重新設計，更換弧面摩擦輪，通過結構設計將工業相機與發射機構剛性連接，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。設計相應的避震座，使得更長行程的避震器可以應用在步兵上。

（3）增加一套連桿抬升機構。

（4）設計上部大、下部小的漏斗型彈倉，自鎖撥桿開合彈倉蓋的機構。

3? ? 步兵云臺詳細設計

3.1? 云臺需要滿足的技術參數

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;發射機構流暢發射17 mm小彈丸，最大射頻可達到20發/s，最大射速可達到30 m/s;彈倉可容納彈丸數量不少于250發。

3.2? 發射機構設計

3.2.1? 撥彈機構

撥彈機構影響的是機器人的攻擊力，只有撥彈機構不卡彈、供彈快，才能在ROBOMASTER比賽里占據進攻優勢，才能讓團隊的戰術執行更加高效。即所謂的“工欲善其事，必先利其器”。

由2006電機提供動力，使撥輪旋轉充分攪動彈倉內的彈丸，防止彈丸滯留在彈倉內部;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入槍管。通過控制撥輪電機的轉速就可以控制彈丸射出的射頻。

在實際測試中，如果撥輪電機轉速過快，彈丸會來不及下落而導致空彈;調節撥輪電機轉速，轉速在300 r/m時，彈丸可以順利下到撥彈盤底部。在撥輪電機轉速達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將彈丸松動即可解決。

后續的測試中依然存在頻繁的卡彈現象，通過觀察發現，在撥輪撥彈時撥輪受力使得撥輪與撥盤不同心，導致撥輪切線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。經過測試連續打出250顆彈丸不會出現明顯的卡彈現象，射頻基本達到要求。

3.2.2? 發射機構

彈丸經過撥彈機構進入槍管后，需要一個加速的過程，將彈丸發射出去。這時候就需要一個對轉雙輪機構，經過對轉雙輪高速旋轉而使彈丸加速彈射出去。對于對轉雙輪，雙輪線速度可近似看作彈丸發射速度。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影響了摩擦輪對彈丸的摩擦力。摩擦輪的尺寸質量決定了摩擦輪的轉動慣量。摩擦力與轉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。因為尺寸與質量的限制，摩擦輪尺寸不宜過大。在合適的尺寸質量下，通過公式：

J=1/2mR2

近似計算得摩擦輪的轉動慣量為0.018 9 kg·m2。

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

3.3? 彈倉設計

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彈丸散落的問題，決定采用漏斗形結構，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。該設計的優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過程中因為彈倉開合電機扭矩不夠彈倉打開導致漏彈的情況。

4? ? 結語

通過實驗的驗證，步兵機器人云臺的設計達到了比賽的技術要求。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，不斷優化，確保了機械運行的可靠性與穩定性。

步兵云臺的設計不光為比賽服務，云臺設計的許多技術點都可以應用于實際中。而且步兵云臺設計需要多學科知識，這激發了學生的學習興趣，強化了學生對知識的應用，并且提高了學生對問題的分析能力及解決能力。

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