一種具有越障、防側(cè)翻、投擲等多功能一體化輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文根據(jù)2022年第二十一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人比賽ROBOTAC大賽中對(duì)輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出一種軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方案不僅越障能力強(qiáng)，氣鏟結(jié)構(gòu)快速鉗制對(duì)手機(jī)器人，防側(cè)翻功能良好，具備較強(qiáng)格斗能力，并輕松完成投擲火炬的任務(wù)的多種功能。

關(guān)鍵詞：ROBOTAC；輪式機(jī)器人；越障；氣鏟；格斗

一、引言

2022年第二十一屆 ROBOTAC 賽事以“亞運(yùn)榮耀”為競(jìng)賽主題[5]。ROBOTAC 是紅、藍(lán)兩方機(jī)器人在規(guī)定場(chǎng)地上的攻防對(duì)抗比賽。比賽過(guò)程中機(jī)器人可以穿越障礙并相互攻擊，率先達(dá)成速勝條件或在比賽結(jié)束時(shí)得分多的一方獲勝。當(dāng)一方機(jī)器人獲取到己方的火種并點(diǎn)燃場(chǎng)地中央的大火炬時(shí)該方立即取得比賽勝利。每支參賽隊(duì)最多可以有 1 臺(tái)自動(dòng)機(jī)器人和 5 臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人，所有上場(chǎng)機(jī)器人總重量不得超過(guò)60kg?？傊匕茉春蜋C(jī)器人所有部件的重量。

每臺(tái)輪式機(jī)器人的尺寸不超過(guò)600mm×600mm×750mm （比賽過(guò)程中任何時(shí)刻展開(kāi)的最大尺寸）。

根據(jù)這些設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)機(jī)器人屬于賽制機(jī)器人中的輪式機(jī)器人，氣鏟為攻擊機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)完成火種抓取和運(yùn)送，投放機(jī)構(gòu)將火種投送到大火炬盤(pán)中，還有一些機(jī)構(gòu)完成輔助爬坡和被攻擊倒地之后的處置位置復(fù)原任務(wù)。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)分為微控制器、電調(diào)，接收器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。接收器負(fù)責(zé)接收遙控器的指令信號(hào)并傳遞給微控制器，微處理器對(duì)接收到的指令解析并迅速傳遞給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行單元，比如電調(diào)，電調(diào)再負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)為攻擊機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)的感應(yīng)和執(zhí)行元件。

三、器材選型

（一）電機(jī)選型

根據(jù)市面上有刷和無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，再根據(jù)比賽規(guī)則，機(jī)器人須達(dá)到5m/s的移動(dòng)速度，轉(zhuǎn)矩達(dá)到20N.m以上。計(jì)算轉(zhuǎn)速：輪胎直徑120mm，求得周長(zhǎng)約380mm，為達(dá)到5m/s的速度，電機(jī)轉(zhuǎn)速需要9r/s，也就是約500/M。計(jì)算減速比，選用FAULHABER CRnbsp; 3257G024CR直流無(wú)刷微電機(jī)，24V供電電壓，空載轉(zhuǎn)速為5900/M，最大轉(zhuǎn)速7000/min，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩斜率/min/mNm，轉(zhuǎn)速常數(shù)為253min/V。

（二）電調(diào)

又稱(chēng)為電子調(diào)速器，英文名稱(chēng)為Electronic Speed Control，簡(jiǎn)稱(chēng)ESC。

該器件有“電流控制”作用，因其內(nèi)部電路有一套MOSFET管。當(dāng)電流輸入該部件，內(nèi)部電路接收來(lái)自接收機(jī)的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)，對(duì)電流進(jìn)行合適的“控制”，把“控制”后的電流送達(dá)馬達(dá)，從而控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止和不同的運(yùn)行速度。 對(duì)于控制部分，電調(diào)在單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)被控制信號(hào)控制。按照所選擇電機(jī)的類(lèi)型，電調(diào)分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)；有刷電調(diào)是直流輸出。無(wú)刷電調(diào)是把穩(wěn)壓電源供電或者鋰電池供電的直流電轉(zhuǎn)換成為3相交流電。

電調(diào)的選擇一定要看選擇電調(diào)的功率，還要考慮電機(jī)與電調(diào)的兼容性。例如：10S Lipo 20A左右的負(fù)載，一般選擇10S 40A 電調(diào)；2-3倍的余量。

電調(diào)的輸入線與電池連接；有刷電調(diào)兩根輸出線，無(wú)刷電調(diào)三根輸出線，均與電機(jī)連接；電調(diào)的信號(hào)線需與接收機(jī)連接。電調(diào)的輸出可以提供給三～四個(gè)舵機(jī)供電。

綜上所述，本機(jī)器人系統(tǒng)選用無(wú)刷電調(diào)模塊為 HLW XXD-30A。

（三）電磁閥選擇

電磁閥（Solenoid valve）在本設(shè)計(jì)中，用作開(kāi)關(guān)，用于將空氣輸送到氣動(dòng)設(shè)備。

本機(jī)器人選用電磁閥控制攻擊機(jī)構(gòu)鏟子，用于從地上鏟起對(duì)手機(jī)器人并掀翻，控制鏟子大約70度的活動(dòng)范圍，另外也需要控制火種投射機(jī)構(gòu)，將火種投射到750cm的高臺(tái)上，故電磁閥選擇二位五通電磁閥AIRTAC 4V110-06，DC12V，2.5W。

（四）舵機(jī)選擇

舵機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各控制舵機(jī)以控制飛行器的飛行姿態(tài)，最早應(yīng)用于航模運(yùn)動(dòng)中。本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人很多關(guān)節(jié)精密的動(dòng)作，均是通過(guò)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的。具體是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理進(jìn)行的。8個(gè)舵機(jī)選擇 RDS51150" ROBOT DIGITAL SERVO，150kg" "10-12.6v供電。

（五）控制器選擇

本文中機(jī)器人充分考慮需要控制的外設(shè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況下，最終控制器選型為 STM32F1032ET6 ，該控制器可以方便地進(jìn)行調(diào)整占空比的 PWM 波形設(shè)置。從而可以方便地達(dá)到無(wú)刷直流電機(jī)的控制需求。控制器STM32F1032ET6的優(yōu)點(diǎn)有：高性能、低功耗、低成本，其資源基本上滿足設(shè)計(jì)需求。

（六）驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊作為連接控制信號(hào)和執(zhí)行器件的中間部件，以控制信號(hào)模塊作為輸入，輸出大電流信號(hào)供給直流電機(jī)，同時(shí)需要獨(dú)立的電源模塊給驅(qū)動(dòng)模塊供電。L298N 是一種雙 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，單個(gè) H 橋即可提供 2A 的電流，功率驅(qū)動(dòng)部分供電電壓支持2.5-48v，5v供電提供給邏輯控制部分。實(shí)際使用時(shí)，為使芯片可以正常工作，功率部分的電壓應(yīng)大于 6V，取7.6V 。本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊電路，選用ST公司的L298N芯片符合電路的高性價(jià)比要求，能夠使電路得到穩(wěn)定工作。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，為機(jī)器人系統(tǒng)軟件控制邏輯示意圖，微控制器寄存器初始化后，等待接收來(lái)自遙控接收器的指令，若接收到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的指令，則根據(jù)指令處理不同的電調(diào)去驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輪子將機(jī)器人帶到理想?yún)^(qū)域。若接收到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令，比如氣鏟動(dòng)作，則進(jìn)入氣閥的控制子程序。若是被推倒，需要翻身起來(lái)，則調(diào)用子程序控制舵機(jī)合理運(yùn)轉(zhuǎn)，直至恢復(fù)初始狀態(tài)。若是接收到夾取物品指令，則調(diào)用響應(yīng)子程序處理。每處理完一個(gè)動(dòng)作或完成一個(gè)任務(wù)，就等待新的指令送達(dá)并解析，如此循環(huán)。

五、聯(lián)合調(diào)試

本設(shè)計(jì)軟件采用多個(gè)功能模塊組合而成，由主程序模塊、無(wú)線收發(fā)子模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子模塊、翻身舵機(jī)處理子模塊、氣鏟動(dòng)作處理模塊、火種發(fā)射動(dòng)作子模塊等組成，協(xié)同完成移動(dòng)機(jī)器人的工作?？刂栖浖捎肒EILμVISION平臺(tái)，在移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試工作主要是根據(jù)軟件控制系統(tǒng)功能單元模塊，逐個(gè)功能實(shí)現(xiàn)，逐個(gè)功能結(jié)合硬件調(diào)試，主程序?qū)崿F(xiàn)之后，比如測(cè)試防側(cè)翻功能模塊，就聯(lián)合無(wú)線收發(fā)和翻身處理子模塊功能，調(diào)試下載，看是否能完成預(yù)期。比如火種發(fā)射模塊，在主程序模塊中，先屏蔽其它功能，單就觸發(fā)火種發(fā)射動(dòng)作按鈕，結(jié)合硬件，觀測(cè)是否達(dá)到預(yù)期功能。按照這個(gè)思路，最終所有子功能模塊一起呈現(xiàn)，再進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修正。直到功能流暢，結(jié)束調(diào)試工作。實(shí)物如圖3所示。

六、機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人如圖4所示，將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人按照設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)踐，充滿1.5MPa的5升氣體，從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，多個(gè)機(jī)器人配合，這款機(jī)器人的任務(wù)就是接過(guò)從對(duì)方奪得的火種，翻越峽谷區(qū)，其中有對(duì)方機(jī)器人圍追堵截，這過(guò)程中需要打斗，還可能會(huì)側(cè)翻，需要自己糾正動(dòng)作歸位。爬過(guò)圖4峽谷區(qū)標(biāo)號(hào)處的45°傾角的斜坡，在峽谷區(qū)中間，機(jī)器人要將火種投入大火炬，大火炬的燃料盤(pán)口距地面高約 750mm，經(jīng)過(guò)20次測(cè)試，此款機(jī)器人成功率100%。

這款機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)考慮全面，尤其在攻克爬斜坡難點(diǎn)時(shí)，電機(jī)選型得當(dāng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，重心調(diào)配得當(dāng)，上斜坡成功率能達(dá)到95%。為在比賽中獲得好成績(jī)奠定了基礎(chǔ)。

七、結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用STM32F1032ET6單片機(jī)作為微控制器，為滿足參賽要求，設(shè)計(jì)出能滿足比賽需要的功能模塊，進(jìn)而能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的各種功能，為移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，為第二十一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人比賽ROBOTAC比賽的重要角色。設(shè)計(jì)的機(jī)器人除了能用于比賽外，其良好的各種地形適應(yīng)能力，還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、消防、林業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)或特定任務(wù)。還可以用于高校機(jī)器人相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生創(chuàng)新課堂，提高興趣，發(fā)揮想象，優(yōu)化功能，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供一個(gè)渠道，也是一個(gè)很好的載體。

作者單位：陳春先 張驍芃 段一龍 于書(shū)豪 崔俊" 王嘉璇 周楊 北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

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論文依托項(xiàng)目：北京電子科技職業(yè)學(xué)院校級(jí)重大課題“雙高——機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究” 項(xiàng)目編號(hào)：2022X007-KX。

陳春先（1978.10-），女，回族，河南南陽(yáng)，研究生，講師，研究方向：服務(wù)機(jī)器人。

其他作者均為機(jī)器人學(xué)生創(chuàng)新社團(tuán)成員。