一種移動射擊競賽機器人系統設計及實現

郭民環，楊文康

（蘇州市職業大學 電子信息工程學院, 江蘇 蘇州 215104）

概述

機器人作為一種能夠實現半自主或全自主工作的智能機器[1-3]，近年來隨著集成芯片、通信、控制等技術的發展[4]，開始在越來越多的場合得到應用。從工業領域的多關節機器人到特定領域的服務型機器人，從固定于某一位置操作的固定機器人到能夠自主規劃、自主導航的移動型機器人，從單獨作業的個體機器人到協同作業的機器人群[5]。機器人涉及的學科門類繁多，功能需求也是千變萬化，這些都對團隊合作和任務協同提出了更高要求。

鑒于此，立足協作機器人的發展需求，依托某學生競賽項目開展移動射擊機器人系統設計工作。

1 任務分析

戰地攻防賽比賽場地尺寸為3*6 m，場地中間隔欄將場地分為紅藍兩個陣地，雙方機器人只能在各自的陣地中完成攻防任務，其比賽場地的三維示意圖，見圖1。

圖1 戰地攻防賽項的比賽場地三維示意圖

任務要求選手利用手動或自動方式控制多臺移動機器人，通過協同的方式完成巡線、射擊、夾取等任務。其中，移動射擊機器人的主要目的是將需要打擊的目標物搬運到A 點開始交接，然后由另一臺機器人將其搬運到B 點，緊接著放置到固定位置，以供在機器人后續任務中對其進行射擊，見圖2。

圖2 射擊目標分布示意圖

2 機械結構設計

2.1 移動機構

移動機構的設計目標，一方面是能夠讓機器人在平面內移動既要快速也要精確，另一方面還要能夠配合射擊機構，以便完成高質量的瞄準動作。本文選擇與麥克納姆輪類似的全方位輪作為移動底盤的車輪。

該全方位輪既可以繞自身軸線做主動的滾動，又可以利用小滾輪作從動的滾動；另外，由于小滾輪軸線與輪子軸線垂直，小滾輪滾動起來時滾動摩擦可以忽略不計，小滾輪所受摩擦力的方向基本與主輪前進方向一致，受力情況較麥克納姆輪有所改善，輪子正常轉動時各個小滾輪也不存在滑動現象，可近似認為是純滾動，在進行直線運動時可以更加精確。

在前面的基礎之上，本文選擇4 個36 堆疊無刷電機(編碼電機)分別鏈接4 個全方位輪，通過控制主板實現運動能力，見圖3。

圖3 機器人移動底盤俯視圖

其突出優點如下：

（1） 該電機采用全金屬齒輪組，堅固耐用，同時內置了編碼器，為精確控制機器人的運動提供了基礎。

（2） 該型號電機自帶安裝孔，適配于makeblock金屬結構件，方便安裝和拆卸。

2.2 夾取機構

夾取機構需要完成針對圖4 所示目標的夾取和放置動作。其中，夾取動作靠精確的移動量來確定目標位置，放置動作關鍵在于確保目標擺放之后能夠保持穩定站立。

圖4 夾取目標示意圖

在夾取機構的選擇上，考慮到所夾取物品的形狀、重量和機器人整體結構的緊湊性，最簡單的兩條金屬片相就能組成最簡單有效的夾爪，配合兩個智能舵機MS-12A 控制其開合，安裝方法，見圖5。這兩個智能舵機安裝在滑塊上，兩根光滑金屬柱作為滑軌，再在最上方再固定一個智能舵機，通過皮帶和滑輪組讓整個夾爪達到沿著滑軌上下平移的效果。

圖5 舵機的連接演示圖

設計完成之后的夾爪整體形態，見圖6。

圖6 機器人夾爪實物圖

2.3 射擊機構

射擊機構需要實現三個功能，分別是回收、儲存和發射。

回收該部分位于機器人一側(圖7 中部件4-8)，整體突出底盤以外，由一個50 cm*60 cm 的光滑平板和三組齒輪和三條履帶組成的上下方向的傳送帶組共同組成，平板和傳送帶組平行，并且距離地面的距離小于小球的直徑，這樣可以避免小球卷入機器人底盤，影響移動性能。其功能需要將半徑為3 cm 的小球回收到機器人上方的儲存倉。

儲存功能是為了保存回收回來的小球。該部分位于機器人頂部(圖7 中部件9)，是利用金屬板和金屬條拼組成一個槽狀的容器。其底部的高度低于回收機構的光滑平板，高于射擊機構，這個高度差就是儲球倉有效的儲球容量。

圖7 機器人設計機構整體示意圖

小球被送至發射臺之前，需要先進行瞄準這一步驟。發射方向的左右調節，是隨著車輛底盤轉動而轉動。要想上下進行移動從而能擁有全方位的發射位置，就需要在發射臺與機器人的連接處用智能舵機替換金屬的鏈接零件，用智能舵機來控制發射臺角度。

而最為關鍵的發射口，由兩個直流無刷電機連接兩個摩擦輪組成，利用摩擦輪的高速轉動發射小球，如圖8 所示。兩個摩擦輪中間留出略小于小球直徑的距離，摩擦輪嚙合住小球后，通過摩擦力，令其在短時間內完成加速，然后射出，兩個直流電機的馬力讓小球有足夠的動能在擊中目標后令其倒下。最后為了方便瞄準，根據發射的初速度，高度和角度計算小球落點，輔助以激光發射器定位落點，能大大調高射擊精準度。

圖8 無刷直流電機和摩擦輪的安裝示意圖

3 控制系統的設計與測試

3.1 控制系統組成

本項目采用NovePi 作為核心的控制平臺(圖9)，該主板是新一代賽事平臺主控，其接口資源如下所示：

圖9 NovePi 主板示意圖

（1） 傳感器接口使用串口通訊，對外輸出5 V電壓。智能電機接口使用串口通訊，對外提供12V 電壓。

（2） 主控板載6 軸傳感器，可測量X，Y，Z 三個方向上的加速度和X，Y，Z 三個方向上的旋轉角速度，可以滿足我們在實驗中全部的指令要求。可搭配動力擴展板使用，提供更加豐富的接口與資源。

Nove Pi 主板與通過豐富的接口實現與外圍設備的連接，其連接如圖10 所示。

圖10 平衡小車恢復平衡測試

驅動輪胎的4 臺180 智能編碼電機連接在智能電機接口M1～M4 四個接口上；整個夾爪部分的3 臺智能舵機需要串聯在一起，接在一個智能電機接口上；驅動履帶的一臺37 直流電機直接連接在主控板的5 V 直流接口上；連接藍牙手柄的藍牙模塊也連接在5 V 直流接口上，可以通過手柄遠程遙控；發射小球的直流無刷電機需要較大功率，所以連接在動力拓展板上，動力拓展板連接在主控板的動力拓展板接口上。

3.2 軟件設計與測試

本文采用Scratch 圖形編程語言進行軟件設計，包括自動程序和手動程序兩部分。

自動程序部分要求機器人依靠程序指令，在沒有手動操作參與情況下，完成巡軌、搬運（夾取和放置）、歸位等操作，具體包括：從原點出發先到達正前方A點然后向左平移到達B 點，最后向前平移到達搬運點，夾爪從慢慢閉合達夾起目標，夾爪上方的舵機開始拉升，使目標懸空。之后到達規定的放置位置，舵機控制夾爪打開，放置目標。

手動程序利用Make block 藍牙手柄與Nove Pi主控板進行無線通信，分別通過對無刷電機(圖11 所示)、編碼電機進行編程控制，實現掃球、夾爪和射擊任務。

圖11 無刷電機程序

4 結論

本文圍繞陣地攻防競賽要求開展機器人設計工作，完成了核心機構的設計、測試與改進工作，搭建電控方案與完成Scratch 圖形化軟件程序編寫，實現了手動和自動方式對機器人移動、掃球、夾取、射擊的任務，完成了與團隊內其他機器人聯合調試。本文設計搭建的機器人在比賽過程取得了很好的成績，也證明了本文的工作達到了預期的效果。