非標(biāo)準(zhǔn)武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

馬雙琪　馬帥寶

摘要：本文主要介紹的是非標(biāo)準(zhǔn)武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并使用優(yōu)化的控制程序和靈敏度較高的檢測(cè)傳感器，盡可能的使機(jī)器人保持高靈活的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并具有較高的進(jìn)攻能力和防御能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；整體結(jié)構(gòu)；控制；傳感器

機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械、電子、材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制等多門(mén)學(xué)科于一體，廣泛用于國(guó)防、工業(yè)、教育等許多領(lǐng)域。因此多了解和掌握機(jī)器人技術(shù)對(duì)個(gè)人成長(zhǎng)成才有很大的幫助。本文是我們根據(jù)比賽規(guī)則和以往的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人各部分設(shè)計(jì)包括攻擊部分、驅(qū)動(dòng)部分、檢測(cè)部分。三個(gè)部分的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人都是至關(guān)重要的。為了能使機(jī)器人的防御力增加，我們采用碉堡式外殼的結(jié)構(gòu)。選擇合適的電機(jī)，能使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)良好。選擇比較靈敏的傳感器都能使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)比較靈活。

1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了增加車(chē)子穩(wěn)定性能和具有較高的防御能力，我們將“碉堡四棱柱”定為我們車(chē)體的總體外形。整體結(jié)構(gòu)圖如圖一所示：

1.1 前后推板

前后推板又稱(chēng)鏟子，我們的車(chē)具有前后兩個(gè)鏟子，前面鏟子主要用作攻擊，后面鏟子主要起保護(hù)作用，防止因?yàn)楹竺娴妆P(pán)受攻擊掉下擂臺(tái)。鏟子由 3mm厚的不銹鋼鋼板304，由畫(huà)圖軟件畫(huà)制，經(jīng)激光切割（包括打孔），經(jīng)折彎?rùn)C(jī)折成形制作而成，鏟子前面用砂輪機(jī)打磨成錐狀。以便于在和對(duì)手進(jìn)行攻擊時(shí)，把對(duì)手鏟起來(lái)。此外該材料強(qiáng)度較高可以增加車(chē)的穩(wěn)定性和抗沖力能力。

1.2 車(chē)體

車(chē)底盤(pán)呈 260mm*260mm 的正方形，車(chē)高 60mm，底板距離地面高度為25mm，車(chē)體空閑部分選擇鏤空減輕車(chē)體質(zhì)量，動(dòng)起來(lái)不顯得笨重，更加靈活。車(chē)子上下板的連接采用長(zhǎng)螺栓連接，使相對(duì)位置更加固定，不容易使頂板上的傳感器松動(dòng)。整車(chē)使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)螺徑，以便于出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)容易更換。

輪子直徑為65mm，寬25mm，在輪子兩邊具有突出折彎邊框，保護(hù)輪子不被碰撞而完全失去活動(dòng)能力。

2 傳感檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人通過(guò)各種傳感器采集回來(lái)的信息傳回控制中心，由單片機(jī)進(jìn)行分析判斷。最后變成控制系統(tǒng)能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，作為控制機(jī)器人行為的依據(jù)。本次設(shè)計(jì)采用12個(gè)紅外測(cè)距傳感器用來(lái)探測(cè)棋子和敵方機(jī)器人的精確位置。2個(gè)超聲波傳感器用來(lái)探測(cè)敵方機(jī)器人的精確位置，避免對(duì)方機(jī)器人外觀的干擾。4個(gè)灰度傳感器分布在小車(chē)的底部四個(gè)角用來(lái)檢測(cè)小車(chē)所處位置。

3 電池與控制板的放置設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中，電池采用水平放置，重心比較低。有利于機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)?？刂瓢搴碗姵囟挤旁谛≤?chē)內(nèi)部，用上下兩塊鋼板將其包含在內(nèi)。一方面起到固定作用，另一方面也可以保護(hù)其不受對(duì)方機(jī)器人的撞擊。

4 驅(qū)動(dòng)的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 驅(qū)動(dòng)的選擇

隨著比賽強(qiáng)度的增大，機(jī)器人對(duì)力量的追求越來(lái)越高，因此選擇一個(gè)性能強(qiáng)大的馬達(dá)非常重要。因此我們選擇NF0321Z字形減速馬達(dá)，該馬達(dá)不僅扭矩大，而且可以保證速度，用在非標(biāo)車(chē)上非常合適。為了使馬達(dá)轉(zhuǎn)的更快，就必須加上足夠大的電壓，但馬達(dá)無(wú)法承受高電壓，這就需要增加一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊V6.1。此款馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能承受35V的電壓，單獨(dú)為馬達(dá)供電，提供強(qiáng)勁的動(dòng)力，同時(shí)能增加散熱。

4.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分需要4個(gè)Z字形減速馬達(dá)，4個(gè)Z字形減速馬達(dá)分別裝在4個(gè)輪子的內(nèi)側(cè)，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)器人控制器控制一個(gè)相應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)馬達(dá)停止或反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可完成。我們的馬達(dá)連接為雙向固定，一個(gè)經(jīng)電機(jī)拖固定于主板上。另一個(gè)固定在經(jīng)底板折彎側(cè)邊切割的圓孔里，這樣的固定方式更加牢固，不因?yàn)榕鲎搽姍C(jī)發(fā)生偏動(dòng)。

5 主控板的選擇

我們選擇的主控板為STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板，此款芯片STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板，為f103系列資源最多的芯片。具備112個(gè)IO口，512k的FLASH、64k SARM 非標(biāo)車(chē)上有很多傳感器接口，豐富的IO口正好滿(mǎn)足需要，同時(shí)能輸出PWM波控制電機(jī)。

6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，采用順訊查詢(xún)的方式執(zhí)行主程序。首先啟動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)開(kāi)始檢測(cè)敵人，如果檢測(cè)到敵人就開(kāi)始進(jìn)攻，并檢測(cè)自己是否到達(dá)擂臺(tái)邊緣，以防掉下擂臺(tái)。具體的程序流程圖如圖二所示：

7 結(jié)語(yǔ)

如今機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受人們的追捧，機(jī)器人的使用也越來(lái)越廣泛。目前我國(guó)正掀起一股機(jī)器人競(jìng)賽的熱潮，創(chuàng)新是我國(guó)大學(xué)生的精髓，參賽機(jī)器人都要從概念設(shè)計(jì)入手，經(jīng)歷設(shè)計(jì)，制作，調(diào)試，改進(jìn)，等過(guò)程最終選出最優(yōu)方案參加比賽，通過(guò)此項(xiàng)賽事，大學(xué)生的創(chuàng)造熱情得到充分發(fā)揮，創(chuàng)造思維和動(dòng)手能力得到鍛煉和培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉極峰.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：馬雙琪，女，漢族，河南洛陽(yáng)人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。