競賽機(jī)器人結(jié)構(gòu)研制

【摘 要】本文介紹了亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽國內(nèi)選拔賽競賽機(jī)器人的研制，闡述了競賽型機(jī)器人的創(chuàng)意與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以搬運(yùn)木塊手動機(jī)器人為研究對象對競賽機(jī)器人的功能、特征、工作過程等問題做了較為詳細(xì)的分析和研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人 創(chuàng)意設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)

【中圖分類號】TP242.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）02-0027-02

一 引言

從2002年開始，中央電視臺每年舉辦一屆的亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽國內(nèi)選拔賽，機(jī)器人競賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動，不僅易于激發(fā)興趣，而且綜合了機(jī)械結(jié)構(gòu)、制作、控制等多學(xué)科的知識，通過機(jī)器人競賽，較好地推動學(xué)校素質(zhì)教育工作。全國多所高校積極響應(yīng)并制作機(jī)器人參加競賽，筆者在總結(jié)了往屆機(jī)器人研制過程，研制了符合2008年競賽要求的自動機(jī)器人。

二 比賽規(guī)則簡介

圖1 比賽場地圖

“競技牛郎”是本屆選拔活動的主題，根據(jù)規(guī)則，每個參賽隊(duì)由來自同一所大學(xué)的4名成員組成，其中包括3名學(xué)生和l名指導(dǎo)老師。參賽隊(duì)操作紅隊(duì)和藍(lán)隊(duì)操作手動機(jī)器人和自主機(jī)器人，試圖夠著放在高處的黃油碗，并將黃油塊拿走。有的機(jī)器人也試圖“偷取”由少女拿著的盛有奶酪球的陶罐。從放在高處的瓷碗中拿走黃油就可得分。把陶罐或奶酪球移至籃筐中也可以得分。從瓷碗中直接抓取三塊黃油并將它們舉到空中的隊(duì)將成為“牛郎”（勝利者），每場比賽的時間為3分鐘。

圖1中比賽場地外圍為手動車區(qū)域，手動區(qū)和自主區(qū)手動機(jī)器人可在手動區(qū)自由運(yùn)動，但不能進(jìn)入自主區(qū)。自主機(jī)器人可在自主區(qū)自由運(yùn)動，但不能進(jìn)入手動區(qū)。

籃筐是500mm×250mm的

矩形區(qū)域。陶罐和由少女處“偷”

來的奶酪存放在這里。共有四個

籃筐，每個籃筐用50mm高、

30mm厚的木欄圍著，見圖2。

機(jī)器人重量的限制：總重不

得大于50kg，電源電壓不得超過

DC24VO。

三 手動機(jī)器人方案的制訂與實(shí)施

根據(jù)比賽規(guī)則要求，手動機(jī)器人：主要任務(wù)是完成陶罐和奶酪的取放。它由參賽隊(duì)員用遙控器控制其行走路線。手動機(jī)器人的活動范圍只限在手動區(qū)和公共區(qū)，它的任何部分不能進(jìn)入自動區(qū)。根據(jù)往屆比賽經(jīng)驗(yàn)，自動機(jī)器人出發(fā)后有時會因?yàn)榛ハ嗯鲎驳仍虺霈F(xiàn)“死機(jī)”，具有取放黃油能力的只剩下在自動區(qū)外活動的手動機(jī)器人，所以從某種程度上說，手動機(jī)器人是贏得比賽的關(guān)鍵。

1.手動機(jī)器人方案

手動機(jī)器人采用PS/2手柄控制，小車需要強(qiáng)度較高同時要運(yùn)行平穩(wěn)，需要大扭矩電機(jī)提高前進(jìn)速度，采用直流電

機(jī)的后驅(qū)動，在轉(zhuǎn)彎時只需要調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。車上設(shè)計(jì)有可以升降的機(jī)械手，將陶罐和奶酪抓起后，升或降放到相應(yīng)的籃框內(nèi)，機(jī)械手的升降采用豎直導(dǎo)軌配以滑動軸承，采取電機(jī)拖動柔絲繩實(shí)現(xiàn)；為了在最少的時間取放更多的陶罐和奶酪，設(shè)計(jì)了串并相結(jié)合結(jié)構(gòu)的V字形結(jié)構(gòu)的4個機(jī)械手。由于帶有引入角的機(jī)械手取放陶罐時不但不需要精確定位，同時可以拿取4個陶罐，減少了輔助時間，提高了工作效率。

圖3 手動機(jī)器人展開圖

2.手動機(jī)器人

手動車車體長寬的確定，手動機(jī)器人啟動區(qū)是1000mm×1000mm的方形區(qū)域，也就是說手動車在啟動時，長和寬的尺寸不得超出這個范圍。一般會認(rèn)為車體的長和寬越大越好，因?yàn)檐圀w越大，其穩(wěn)定性會越好，但是如果太大的話，車體在轉(zhuǎn)彎時就會不夠靈活，增大轉(zhuǎn)彎半徑?？紤]手動車要一次性拿取4個陶罐的要求，所以其尺寸也不能過小，以免影響其行走和轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性，這樣經(jīng)過綜合考慮后，最后將車體的尺寸決定為450mm×400mm的方形框架，這樣兩方面的優(yōu)越性可以兼有?？紤]到競賽對機(jī)器人的重量要求，框架采用25mm×25mm的鋁合金方管制作，見圖4。

四 自動機(jī)器人

自動機(jī)器人驅(qū)動地盤采用了與手動機(jī)器人相同原理的結(jié)構(gòu)，只是要在自動機(jī)器人啟動區(qū)為1000mm×1000mm的方形區(qū)域擺放3個機(jī)器人，地盤外形尺寸設(shè)計(jì)為300mm×380mm。

本次比賽所用黃油是由高密度聚乙烯泡沫制作，涂成黃色的立方體放在中央瓷碗中。外側(cè)瓷碗中放同樣大小但涂成白色的立方體，每個黃油重量是130g（±20g），為200mm立方體，見圖5?？紤]到競賽機(jī)器人能順利地將黃油在不同的切入角度都能抓取到并投放到戰(zhàn)車上，所以機(jī)械手的夾緊設(shè)計(jì)要利用黃油外表面做夾緊面。故設(shè)計(jì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)見圖6。

圖4 手動機(jī)器人底盤 圖5 黃油，白色黃油

機(jī)械手夾緊黃油是利用橡皮膠管依靠自身的彈性收緊，夾在機(jī)械手的脖頸處，機(jī)械手和機(jī)械手臂支架鉸接，機(jī)械手的后端用尼龍繩連接到電機(jī)的絞輪上，當(dāng)電機(jī)通電轉(zhuǎn)動絞輪，收緊繩子，從而張開機(jī)械手，到極限位置后，觸動行程開關(guān)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，松開繩子，利用橡皮膠管依靠自身的彈性收緊，抓取黃油。

機(jī)械手的張開閉合采用杠桿結(jié)構(gòu)，這樣可以保持有效的夾緊力，同樣在絲杠上可以進(jìn)行限位，以防過載。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動，用行程開關(guān)在極限位置控制轉(zhuǎn)位角度。

1.機(jī)械手尺寸的確定

機(jī)械手圓弧區(qū)形狀應(yīng)以從不同的角度剛好抱緊正方體四個面為最佳尺寸，所以得在機(jī)械手的圓弧區(qū)加裝立柱，直徑為40mm的不銹鋼空心骨架外置海綿體，所以設(shè)計(jì)機(jī)械手圓弧段直徑為320mm，直桿和圓弧段切線垂直，以保證最大的拉動力臂，從而減少電機(jī)的扭矩。

2.與機(jī)械手相連電機(jī)的扭矩

由機(jī)械手的設(shè)計(jì)，可知拉力F與積黃油給機(jī)械手的反作用力F′的關(guān)系為：F′=0.71F，又知機(jī)械手與黃油之間的摩擦系數(shù)為μ=0.5，當(dāng)機(jī)械手拿起三個積木塊時，F(xiàn)′·μ=G，所

以 ，進(jìn)而可得 ，以該電機(jī)

的轉(zhuǎn)矩 （N·m），至此，就可以

根據(jù)這些參數(shù)初步地選用合適的電機(jī)。

3.手臂提升結(jié)構(gòu)

當(dāng)機(jī)械手取到黃油以后，必須將手臂提升，才能將黃油從瓷碗中取出，所以就需要設(shè)計(jì)手臂提升機(jī)構(gòu)。采用了簡單的杠桿原理，在另一端設(shè)置了可以收放的帶轉(zhuǎn)輪的電機(jī)和連接繩，采用繩拖動，讓手臂停放在任何一個需要的位置，手臂移動時具有較好的連續(xù)性。

五 結(jié)論

本文從頭到尾一直灌輸了一種思想，就是用比較簡單的方式、方法來完成功能，2008年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽國內(nèi)選拔活動于2008年5月20日在北京首鋼籃球中心舉行，共有39所高院報名，參與了此次大學(xué)生機(jī)器人大賽的角逐。本文研究和實(shí)現(xiàn)的這種競賽機(jī)器人，有其較好的競賽優(yōu)勢，特別是兼顧了在實(shí)現(xiàn)策略、效率、可靠性等各方面的因素，優(yōu)勢明顯，具有較高的穩(wěn)定性和推廣意義。

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