一種移動(dòng)射擊競(jìng)賽機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

郭民環(huán)，楊文康

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215104）

概述

機(jī)器人作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)半自主或全自主工作的智能機(jī)器[1-3]，近年來隨著集成芯片、通信、控制等技術(shù)的發(fā)展[4]，開始在越來越多的場(chǎng)合得到應(yīng)用。從工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)器人到特定領(lǐng)域的服務(wù)型機(jī)器人，從固定于某一位置操作的固定機(jī)器人到能夠自主規(guī)劃、自主導(dǎo)航的移動(dòng)型機(jī)器人，從單獨(dú)作業(yè)的個(gè)體機(jī)器人到協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人群[5]。機(jī)器人涉及的學(xué)科門類繁多，功能需求也是千變?nèi)f化，這些都對(duì)團(tuán)隊(duì)合作和任務(wù)協(xié)同提出了更高要求。

鑒于此，立足協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展需求，依托某學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目開展移動(dòng)射擊機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

1 任務(wù)分析

戰(zhàn)地攻防賽比賽場(chǎng)地尺寸為3*6 m，場(chǎng)地中間隔欄將場(chǎng)地分為紅藍(lán)兩個(gè)陣地，雙方機(jī)器人只能在各自的陣地中完成攻防任務(wù)，其比賽場(chǎng)地的三維示意圖，見圖1。

圖1 戰(zhàn)地攻防賽項(xiàng)的比賽場(chǎng)地三維示意圖

任務(wù)要求選手利用手動(dòng)或自動(dòng)方式控制多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人，通過協(xié)同的方式完成巡線、射擊、夾取等任務(wù)。其中，移動(dòng)射擊機(jī)器人的主要目的是將需要打擊的目標(biāo)物搬運(yùn)到A 點(diǎn)開始交接，然后由另一臺(tái)機(jī)器人將其搬運(yùn)到B 點(diǎn)，緊接著放置到固定位置，以供在機(jī)器人后續(xù)任務(wù)中對(duì)其進(jìn)行射擊，見圖2。

圖2 射擊目標(biāo)分布示意圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，一方面是能夠讓機(jī)器人在平面內(nèi)移動(dòng)既要快速也要精確，另一方面還要能夠配合射擊機(jī)構(gòu)，以便完成高質(zhì)量的瞄準(zhǔn)動(dòng)作。本文選擇與麥克納姆輪類似的全方位輪作為移動(dòng)底盤的車輪。

該全方位輪既可以繞自身軸線做主動(dòng)的滾動(dòng)，又可以利用小滾輪作從動(dòng)的滾動(dòng)；另外，由于小滾輪軸線與輪子軸線垂直，小滾輪滾動(dòng)起來時(shí)滾動(dòng)摩擦可以忽略不計(jì)，小滾輪所受摩擦力的方向基本與主輪前進(jìn)方向一致，受力情況較麥克納姆輪有所改善，輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各個(gè)小滾輪也不存在滑動(dòng)現(xiàn)象，可近似認(rèn)為是純滾動(dòng)，在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可以更加精確。

在前面的基礎(chǔ)之上，本文選擇4 個(gè)36 堆疊無刷電機(jī)(編碼電機(jī))分別鏈接4 個(gè)全方位輪，通過控制主板實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力，見圖3。

圖3 機(jī)器人移動(dòng)底盤俯視圖

其突出優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 該電機(jī)采用全金屬齒輪組，堅(jiān)固耐用，同時(shí)內(nèi)置了編碼器，為精確控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。

（2） 該型號(hào)電機(jī)自帶安裝孔，適配于makeblock金屬結(jié)構(gòu)件，方便安裝和拆卸。

2.2 夾取機(jī)構(gòu)

夾取機(jī)構(gòu)需要完成針對(duì)圖4 所示目標(biāo)的夾取和放置動(dòng)作。其中，夾取動(dòng)作靠精確的移動(dòng)量來確定目標(biāo)位置，放置動(dòng)作關(guān)鍵在于確保目標(biāo)擺放之后能夠保持穩(wěn)定站立。

圖4 夾取目標(biāo)示意圖

在夾取機(jī)構(gòu)的選擇上，考慮到所夾取物品的形狀、重量和機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，最簡(jiǎn)單的兩條金屬片相就能組成最簡(jiǎn)單有效的夾爪，配合兩個(gè)智能舵機(jī)MS-12A 控制其開合，安裝方法，見圖5。這兩個(gè)智能舵機(jī)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(gè)智能舵機(jī)，通過皮帶和滑輪組讓整個(gè)夾爪達(dá)到沿著滑軌上下平移的效果。

圖5 舵機(jī)的連接演示圖

設(shè)計(jì)完成之后的夾爪整體形態(tài)，見圖6。

圖6 機(jī)器人夾爪實(shí)物圖

2.3 射擊機(jī)構(gòu)

射擊機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，分別是回收、儲(chǔ)存和發(fā)射。

回收該部分位于機(jī)器人一側(cè)(圖7 中部件4-8)，整體突出底盤以外，由一個(gè)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(jī)器人底盤，影響移動(dòng)性能。其功能需要將半徑為3 cm 的小球回收到機(jī)器人上方的儲(chǔ)存?zhèn)}。

儲(chǔ)存功能是為了保存回收回來的小球。該部分位于機(jī)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(gè)槽狀的容器。其底部的高度低于回收機(jī)構(gòu)的光滑平板，高于射擊機(jī)構(gòu)，這個(gè)高度差就是儲(chǔ)球倉有效的儲(chǔ)球容量。

圖7 機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)整體示意圖

小球被送至發(fā)射臺(tái)之前，需要先進(jìn)行瞄準(zhǔn)這一步驟。發(fā)射方向的左右調(diào)節(jié)，是隨著車輛底盤轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。要想上下進(jìn)行移動(dòng)從而能擁有全方位的發(fā)射位置，就需要在發(fā)射臺(tái)與機(jī)器人的連接處用智能舵機(jī)替換金屬的鏈接零件，用智能舵機(jī)來控制發(fā)射臺(tái)角度。

而最為關(guān)鍵的發(fā)射口，由兩個(gè)直流無刷電機(jī)連接兩個(gè)摩擦輪組成，利用摩擦輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射小球，如圖8 所示。兩個(gè)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(shí)間內(nèi)完成加速，然后射出，兩個(gè)直流電機(jī)的馬力讓小球有足夠的動(dòng)能在擊中目標(biāo)后令其倒下。最后為了方便瞄準(zhǔn)，根據(jù)發(fā)射的初速度，高度和角度計(jì)算小球落點(diǎn)，輔助以激光發(fā)射器定位落點(diǎn)，能大大調(diào)高射擊精準(zhǔn)度。

圖8 無刷直流電機(jī)和摩擦輪的安裝示意圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

3.1 控制系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目采用NovePi 作為核心的控制平臺(tái)(圖9)，該主板是新一代賽事平臺(tái)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(duì)外輸出5 V電壓。智能電機(jī)接口使用串口通訊，對(duì)外提供12V 電壓。

（2） 主控板載6 軸傳感器，可測(cè)量X，Y，Z 三個(gè)方向上的加速度和X，Y，Z 三個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)角速度，可以滿足我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中全部的指令要求。可搭配動(dòng)力擴(kuò)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(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接，其連接如圖10 所示。

圖10 平衡小車恢復(fù)平衡測(cè)試

驅(qū)動(dòng)輪胎的4 臺(tái)180 智能編碼電機(jī)連接在智能電機(jī)接口M1～M4 四個(gè)接口上；整個(gè)夾爪部分的3 臺(tái)智能舵機(jī)需要串聯(lián)在一起，接在一個(gè)智能電機(jī)接口上；驅(qū)動(dòng)履帶的一臺(tái)37 直流電機(jī)直接連接在主控板的5 V 直流接口上；連接藍(lán)牙手柄的藍(lán)牙模塊也連接在5 V 直流接口上，可以通過手柄遠(yuǎn)程遙控；發(fā)射小球的直流無刷電機(jī)需要較大功率，所以連接在動(dòng)力拓展板上，動(dòng)力拓展板連接在主控板的動(dòng)力拓展板接口上。

3.2 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

本文采用Scratch 圖形編程語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，包括自動(dòng)程序和手動(dòng)程序兩部分。

自動(dòng)程序部分要求機(jī)器人依靠程序指令，在沒有手動(dòng)操作參與情況下，完成巡軌、搬運(yùn)（夾取和放置）、歸位等操作，具體包括：從原點(diǎn)出發(fā)先到達(dá)正前方A點(diǎn)然后向左平移到達(dá)B 點(diǎn)，最后向前平移到達(dá)搬運(yùn)點(diǎn)，夾爪從慢慢閉合達(dá)夾起目標(biāo)，夾爪上方的舵機(jī)開始拉升，使目標(biāo)懸空。之后到達(dá)規(guī)定的放置位置，舵機(jī)控制夾爪打開，放置目標(biāo)。

手動(dòng)程序利用Make block 藍(lán)牙手柄與Nove Pi主控板進(jìn)行無線通信，分別通過對(duì)無刷電機(jī)(圖11 所示)、編碼電機(jī)進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)掃球、夾爪和射擊任務(wù)。

圖11 無刷電機(jī)程序

4 結(jié)論

本文圍繞陣地攻防競(jìng)賽要求開展機(jī)器人設(shè)計(jì)工作，完成了核心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、測(cè)試與改進(jìn)工作，搭建電控方案與完成Scratch 圖形化軟件程序編寫，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)和自動(dòng)方式對(duì)機(jī)器人移動(dòng)、掃球、夾取、射擊的任務(wù)，完成了與團(tuán)隊(duì)內(nèi)其他機(jī)器人聯(lián)合調(diào)試。本文設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人在比賽過程取得了很好的成績(jī)，也證明了本文的工作達(dá)到了預(yù)期的效果。