移動射擊競賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：ROBOTAC；移動射擊機(jī)器人；摩擦輪；發(fā)射

0引言

ROBOTAC競賽是中國原創(chuàng)的國家級機(jī)器人科技競技賽事，在符合規(guī)則的前提下，參賽選手可以自行設(shè)計(jì)車型、人型及多樣仿生型機(jī)器人并且設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)。競賽場地分為上、中、下三路和雙方高地，每一條道路都設(shè)置不同的地形和障礙，參賽隊(duì)伍根據(jù)場地特點(diǎn)，有針對性地制作、調(diào)試機(jī)器人以適應(yīng)不同的道路[1]。

從ROBOTAC競賽規(guī)則來看，新場地變化最大的幾個點(diǎn)分別是絕殺方式、中路的峽谷通過區(qū)、高地護(hù)欄，以往的絕殺方式都是沖到敵方高地直接對敵方堡壘進(jìn)行持續(xù)輸出，當(dāng)前的絕殺方式會根據(jù)每場比賽的具體規(guī)則和機(jī)器人的設(shè)計(jì)而有所不同。通過設(shè)置環(huán)形谷地形，極大地限制了機(jī)器人重量與數(shù)量。此外，高地護(hù)欄的增加提升了手動車登上高地的難度。場地變化及規(guī)則引導(dǎo)了手動車采用對抗拼殺的競技方式，但規(guī)則降低了車身重量的限制要求，將對抗的量級推上了新的高度，這對手動車是一個新挑戰(zhàn)。在歷年競賽中，各個實(shí)力較強(qiáng)的學(xué)校幾乎都憑著強(qiáng)勁、精良的仿生機(jī)器人貫穿全場，一般手動車難以抵擋兇猛、無敵的仿生機(jī)器人，最有效的辦法就是利用地形和障礙將仿生機(jī)器人擋在防區(qū)之外。移動射擊機(jī)器人是能夠自動或遠(yuǎn)程控制進(jìn)行射擊的機(jī)器人，它可以通過預(yù)設(shè)的程序、傳感器或遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來識別目標(biāo)并進(jìn)行射擊。優(yōu)秀的移動射擊機(jī)器人可以占據(jù)先期的競賽優(yōu)勢。

1設(shè)計(jì)需求

由ROBOTAC競賽場地示意圖（圖1）[2]可知，所設(shè)計(jì)的移動射擊機(jī)器人如果想攻擊對方堡壘，必須移動到環(huán)形山或者通過擺錘區(qū)或者通過流利條障礙區(qū)。具體區(qū)域如圖1中間環(huán)形區(qū)。通過分析往屆競賽視頻發(fā)現(xiàn)，擺錘區(qū)、流利條障礙區(qū)是雙方對峙的重點(diǎn)區(qū)域，移動射擊機(jī)器人很難順利通過這兩個區(qū)域。規(guī)則對操作區(qū)存在較多的限制，移動射擊機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求其要具有一定的準(zhǔn)確性并且在操控上靈活、便利。峽谷區(qū)環(huán)形山是移動射擊機(jī)器人進(jìn)攻堡壘的首選攻擊位置，從而要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具備順利登上峽谷區(qū)環(huán)形山的能力和較強(qiáng)的操控性。通過分析競賽場地，移動射擊機(jī)器人受規(guī)則限制：炮彈發(fā)射距離不能超過10m，因此以堡壘為圓心，以10m為半徑畫圓，該范圍為炮彈發(fā)射區(qū)域。

通過分析場地圖高地外圍新增的障礙樁，3處通道均易守難攻，得分難度加大。基于往屆機(jī)器人技術(shù)的使用和競賽情況，研究人員制定了一個穩(wěn)健的競賽策略：通過設(shè)計(jì)一臺具有遠(yuǎn)程得分能力的移動射擊機(jī)器人，在己方半場襲擾對手，伺機(jī)選擇合適的位置直接吊射高地上的堡壘，這既可以完成得分，又避免直接面對對方強(qiáng)大的攻擊機(jī)器人，從而以游擊戰(zhàn)的方式來進(jìn)行競賽。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述分析，移動射擊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮射擊精準(zhǔn)度，提高炮彈發(fā)射線性與穩(wěn)定性，從而準(zhǔn)確打擊目標(biāo)；提高移動射擊機(jī)器人的運(yùn)動靈活性，使其能夠自由移動和躲避敵方攻擊；移動射擊機(jī)器人還要具有一定的載彈量以實(shí)現(xiàn)連續(xù)攻擊。合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以確保機(jī)器人在運(yùn)動和移動射擊時的穩(wěn)定性，以及在面對各種復(fù)雜環(huán)境時的適應(yīng)性。

根據(jù)競賽規(guī)則，本文對移動射擊機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路是采用一對摩擦輪機(jī)構(gòu)將符合規(guī)則的彈性球，也就是炮彈發(fā)射出去。機(jī)器人主要由軀體、供球機(jī)構(gòu)、摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)和車輪組成。

2.1軀體

軀體需要為車體提供足夠的剛性以避免車體變形、支撐車體重量，所以主要框架結(jié)構(gòu)采用碳纖板材料，底板采用鋁料。機(jī)器人參加競賽時，規(guī)則對機(jī)器人的重量有一定的限制，碳纖板可以在保證小車整體重量的同時使機(jī)器人車體的整體結(jié)構(gòu)更緊湊，受外力時不易變形。這對機(jī)器人的攻擊性和抗擊打性也具有重要的作用，鋁合金板的車身極易變形，所以大多數(shù)隊(duì)伍在競賽時基本是采用了碳纖板材料。在設(shè)計(jì)移動射擊機(jī)器人時，考慮其運(yùn)動的靈活性很重要，同時還要考慮機(jī)器人的重心，重心越低，穩(wěn)定性越強(qiáng)，但是也不能太低。因此在設(shè)計(jì)時可以通過升高移動射擊機(jī)器人的車架并增大車輪尺寸，這樣有利于機(jī)器人跨過臺階登上環(huán)形山，占據(jù)有利位置直接攻擊堡壘，4組行星減速輪電機(jī)提供了強(qiáng)大的動力輸出。

2.2供球機(jī)構(gòu)

移動射擊機(jī)器人的供球機(jī)構(gòu)由撥球盤、下球盤、步進(jìn)電機(jī)組、落球道等部分組成，供球機(jī)構(gòu)如圖2所示。撥球盤上開有下球口，當(dāng)撥球盤轉(zhuǎn)到下球口時，炮彈順著下球口進(jìn)入落球道中，以便將炮彈送入下方的發(fā)球機(jī)構(gòu)。下球盤上的球受重力作用沿著落球口自然落入落球道，再通過步進(jìn)電機(jī)控制撥球盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制機(jī)器人是否進(jìn)行射擊。撥球電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)沒有電刷且可靠性較高，每一步的精度一般在3%～5%，且每一步的誤差不會累積到下一步，因此具有更好的位置精度和運(yùn)動重復(fù)性。同時，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不能過高，因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩會逐漸變小，導(dǎo)致炮彈和球盤之間產(chǎn)生的摩擦力不匹配。

在競賽環(huán)境下，需要盡可能多地儲存彈性球，所以設(shè)計(jì)放置12枚炮彈的撥球盤。后期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，需要控制一定的彈性球數(shù)量，因?yàn)閺椥郧蛟蕉啵Σ亮σ矔S之增大，如果此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增大，轉(zhuǎn)矩和阻力之間的平衡就不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)卡球的現(xiàn)象。

移動射擊機(jī)器人在以往的競賽中不夠靈活，是由于移動射擊機(jī)器人采用上供彈的形式，彈倉結(jié)構(gòu)較大，使得機(jī)器人頭重腳輕，從而大大影響了其移動速度。本文改變了彈倉結(jié)構(gòu)，采用左輪手槍的模式，降低移動射擊機(jī)器人重心，進(jìn)而提高了穩(wěn)定性。

2.3摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)

發(fā)射球的原理是雙摩擦輪相對反向旋轉(zhuǎn)，使炮彈在發(fā)射前獲得一定的運(yùn)動能量。這個原理方案簡單實(shí)用，既能保證彈性球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能調(diào)節(jié)彈性球發(fā)射角度和速度，對轉(zhuǎn)雙輪發(fā)射原理如圖3所示。

假設(shè)摩擦輪角速度為ω，半徑為R，摩擦輪的線速度v計(jì)算公式[3]為：

彈性球在瞬時的速度與v相同，這也是彈性球的初速度，因此測量摩擦輪的角速度即可得到彈性球的初速度。而摩擦輪的角速度可以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速和傳動比來控制，所以通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速或傳動比，可以改變摩擦輪的轉(zhuǎn)速，從而控制球的發(fā)射速度。

摩擦輪是通過數(shù)控加工獲得的曲面，其使用了尼龍材質(zhì)。摩擦輪多采用圓柱面，摩擦輪與彈性球的圓弧面相互接觸擠壓，在擠壓發(fā)射的過程中彈性球發(fā)射的方向、角度不受控制，因此彈性球發(fā)射后的運(yùn)行軌跡無規(guī)律。在設(shè)計(jì)中將摩擦輪加工成貼合球面的曲面，在發(fā)射時球面和摩擦輪相接觸時，能夠更好地固定球的接觸面，同時約束彈性球和摩擦輪分離瞬間的角度。

本文針對移動射擊機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個炮管，其主要作用就是提高彈性球的速度和對準(zhǔn)方向。因?yàn)槌叽绲南拗疲荒茉O(shè)計(jì)過長的炮管，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)炮管長度也不是越長越好，由于摩擦輪接觸彈性球存在一定的不確定性，因此有可能產(chǎn)生一邊受力多，一邊受力少的情況，進(jìn)而產(chǎn)生了偏心距。同時，在炮管中的彈性球會與管壁產(chǎn)生摩擦，這種摩擦?xí)蟠蠼档蛷椥郧虻乃俣龋瑥亩鴮?dǎo)致彈性球發(fā)射距離縮短。因此，本文設(shè)計(jì)了一個較短的炮管，其僅僅起到對準(zhǔn)的作用以增加彈性球的命中率，還在管道內(nèi)壁設(shè)計(jì)了6條螺旋膛線從而約束彈性球在發(fā)射初期的偏移量，這在一定程度上提高了命中率。

發(fā)射機(jī)構(gòu)的主要功能是隔絕外界以及支持發(fā)射機(jī)內(nèi)部的發(fā)球電機(jī)，其屬于箱體類零件。所設(shè)計(jì)的箱體需采用一體化設(shè)計(jì)，同時應(yīng)具有較好的適應(yīng)性，如耐高溫、耐潮濕、材料輕巧、防銹、耐用等。由于大疆2312E電機(jī)通體導(dǎo)電，所以要求整個箱體為絕緣材料。考慮到零件復(fù)雜，使用3D打印和聚乳酸（PLA）材料完成箱體零件的加工。

2.4車輪

車輪要滿足登上環(huán)形山要求，從尺寸上來看，單級臺階高度為100mm，臺階面寬度為200mm。移動射擊機(jī)器人完整通過環(huán)形山需要連續(xù)跨越三級，其底盤高于單級臺階高度，并且輪距大于兩個臺階面的總寬度，使得車輪能夠攀爬過階梯且不易發(fā)生車輪打滑情況，輪距和底盤尺寸如圖4所示。由于之前一直使用橡膠輪胎，控制電路較簡單，不需要特殊的驅(qū)動板，操作簡單，爬坡和加速等能力也較優(yōu)秀。但因?yàn)橄鹉z輪胎與地面的摩擦力較大，電機(jī)的負(fù)載也較大，特別是在原地旋轉(zhuǎn)或急轉(zhuǎn)彎時，摩擦力都會增大，導(dǎo)致機(jī)器人后輪內(nèi)側(cè)會擠壓機(jī)器人機(jī)架，車輪轉(zhuǎn)動不靈活。這種情況在任務(wù)賽中表現(xiàn)更為明顯，因此本文使用麥克納姆輪代替橡膠輪胎，麥克納姆輪能夠全方位移動且對地面的摩擦力較小。同時設(shè)計(jì)時還需確保底盤穩(wěn)定運(yùn)行，避免底盤在運(yùn)動中出現(xiàn)車體震動的情況，提升底盤的越野能力，使底盤在地面不平整的路面有效運(yùn)行，減少運(yùn)行中的震動影響，幫助機(jī)器人更好地跨越障礙物，提升機(jī)器人的攀爬能力[4]。

3結(jié)語

基于ROBOTAC競賽的移動射擊機(jī)器人設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜而有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文對移動射擊機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，通過改進(jìn)摩擦輪設(shè)計(jì)提高移動射擊機(jī)器人彈性球發(fā)射的線性與穩(wěn)定性，采用上供彈的形式提高投擲運(yùn)動的靈活性。通過改進(jìn)與創(chuàng)新，使移動射擊機(jī)器人成為競賽中的利劍，在競賽的初始階段就可以迅速得分，在其他車型機(jī)器人的配合下形成多樣的進(jìn)攻套路。

未來，人工智能技術(shù)的應(yīng)用、自主決策能力的提升以及跨領(lǐng)域融合將是移動射擊機(jī)器人發(fā)展的重要方向。通過不斷的研究和創(chuàng)新，相信基于競賽的移動射擊機(jī)器人將在未來取得更加出色的成果。