擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真分析

章 森，王 鋒，趙河明，彭志凌

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051）

0 引言

隨著近年來智能概念的不斷普及和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的國(guó)家和地區(qū)將機(jī)器人大賽作為一個(gè)普及機(jī)器人知識(shí)、選拔機(jī)器人技術(shù)人才和轉(zhuǎn)化機(jī)器人技術(shù)的重要平臺(tái)，擂臺(tái)機(jī)器人大賽作為機(jī)器人大賽的一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。擂臺(tái)機(jī)器人大賽參照了中國(guó)古代擂臺(tái)賽的比賽方法，比賽雙方通過在擂臺(tái)上進(jìn)行搏斗，掉下擂臺(tái)的一方即輸?shù)舯荣怺1]。

擂臺(tái)機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性是機(jī)器人贏得比賽的重要前提，研究擂臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的意義。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)劉洋等人提出了一種新型涵道武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人，該機(jī)器人在中心增加了一臺(tái)12扇葉的涵道風(fēng)扇，增大了機(jī)器人與臺(tái)面之間的摩擦力[2]；南京大學(xué)金陵學(xué)院張恒等提出了一種新的擂臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，并從控制策略、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了介紹[3]；北京信息科技大學(xué)宋博飛等人對(duì)擂臺(tái)機(jī)器人機(jī)器人進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，整體采用激光切割的一體化成型的不銹鋼鏤空鋼板搭配大扭矩電機(jī)和紅外測(cè)距傳感器，增加了機(jī)器人的穩(wěn)定性[4]；文獻(xiàn)[5-8]提出了新的擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了研究。

本文提出并設(shè)計(jì)了一款輪式擂臺(tái)機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人的控制裝置、行走裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)采集裝置和動(dòng)力裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)該機(jī)器人的關(guān)鍵零件進(jìn)行了力學(xué)分析和強(qiáng)度校核，最終從理論上驗(yàn)證了該機(jī)器人的可靠性。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

擂臺(tái)機(jī)器人通常由機(jī)架、行走裝置、動(dòng)力裝置、信號(hào)采集裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、攻擊裝置組成，如圖1所示。機(jī)架的主要作用是承載機(jī)器人的其他裝置，起到支撐作用；行走裝置主要由電機(jī)和輪胎組成，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部分，對(duì)整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用；動(dòng)力裝置的主要作用是給機(jī)器人提供動(dòng)力，主要包括鋰電池和降壓模塊；動(dòng)力裝置的作用是多外界的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要包括紅外測(cè)距傳感器、光電開關(guān)和灰度傳感器等；驅(qū)動(dòng)裝置給電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將控制裝置發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；控制裝置是整個(gè)機(jī)器人的核心，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的指令來控制其運(yùn)動(dòng)；攻擊裝置是擂臺(tái)機(jī)器人的利器，它的主要作用是對(duì)對(duì)方機(jī)器人發(fā)起攻擊，使得對(duì)方機(jī)器人喪失行動(dòng)能力或者掉下擂臺(tái)。

結(jié)合結(jié)構(gòu)圖1，擂臺(tái)機(jī)器人根據(jù)紅外測(cè)距傳感自由行走，利用攻擊鏟自由轉(zhuǎn)動(dòng)向?qū)Ψ竭M(jìn)行攻擊，令對(duì)方失去行動(dòng)能力或?qū)?duì)方推下擂臺(tái)，進(jìn)而結(jié)束比賽。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制裝置

控制裝置是機(jī)器人的核心，被譽(yù)為機(jī)器人的“大腦”。在數(shù)控設(shè)備中，主控制板具有數(shù)據(jù)收集、信息處理運(yùn)算、指令輸出等功能，在擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，同樣需要控制裝置來充當(dāng)機(jī)器人的“大腦”。

擂臺(tái)機(jī)器人在擂臺(tái)上的可能遇到的情況多種多樣，需要接收來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)處理后發(fā)出指令，數(shù)據(jù)處理量量較大，數(shù)據(jù)處理速度要求較高，所以對(duì)擂臺(tái)機(jī)器人的主芯片要求較高，因此擂臺(tái)機(jī)器人控制裝置選用的主芯片為STM3F103VE高速處理芯片，該芯片嵌入了512KB閃存，主頻達(dá)到72 MHz，處理速度達(dá)1.25百萬條指令/Mhz。

2.2 行走裝置

2.2.1電機(jī)選型

在進(jìn)行電機(jī)功率選擇的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮機(jī)器人在擂臺(tái)上做直線運(yùn)動(dòng)的情況，并且輪胎變形、地面打滑、空氣阻力等因素忽略[9-10]，由文獻(xiàn)[9]可知電機(jī)的功率大致為：

式中P是電機(jī)功率，v是機(jī)器人移動(dòng)速度，r是輪胎半徑，η是電機(jī)效率

根據(jù)確定出的功率公式，經(jīng)過計(jì)算采用扭矩為53.7 kg·cm納英特電機(jī)N-F-0321。納英特電機(jī)是專為機(jī)器人設(shè)計(jì)的一款直流減速電機(jī)，整機(jī)由金屬材質(zhì)制成，內(nèi)裝有散熱模塊，擁有出色性能。性能參數(shù)如表1所示。

表1 N-F-0321性能參數(shù)

2.2.2輪胎選型

市場(chǎng)上常見的機(jī)器人輪胎有駝峰輪胎、光頭輪胎、麥克納姆輪和耐磨橡膠輪等。擂臺(tái)機(jī)器人在擂臺(tái)上要有較強(qiáng)的抓地能力，并且需要及時(shí)躲避對(duì)方機(jī)器人的攻擊而轉(zhuǎn)彎，所以擂臺(tái)機(jī)器人的輪胎要有一定的抓地能力，并且要有靈活的轉(zhuǎn)彎能力，因此此次設(shè)計(jì)選用67 mm駝峰輪胎作為機(jī)器人的輪胎較為合理。駝峰輪胎輪胎外圈采用硅膠制作，整體耐磨度較高，抓地能力較強(qiáng)，并且具有方便更換的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置

擂臺(tái)機(jī)器人在擂臺(tái)上會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常性的急停急轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)彎等，因此對(duì)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提出了較高的要求，其驅(qū)動(dòng)板要求有較大的驅(qū)動(dòng)電流和較強(qiáng)的過載保護(hù)能以保證機(jī)器人的正常運(yùn)行，根據(jù)電機(jī)的功率及電池的輸出電壓等參數(shù)，此次設(shè)計(jì)選擇的是AQMH2407ND直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該驅(qū)動(dòng)模塊專用于戰(zhàn)車、玩具、機(jī)器人等電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)性能和極佳的過載保護(hù)。

除此之外，AQMH2407ND電機(jī)驅(qū)模還具有良好的電氣性能，具有很寬的PWM波輸出，對(duì)于機(jī)器人所需的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)具有重要的作用。

2.4 信號(hào)采集裝置

擂臺(tái)機(jī)器人的信號(hào)采集裝置選擇的是Sharp系列高精度紅外測(cè)距傳感器、灰度傳感器和光電開關(guān)。該傳感器的組合能夠使得機(jī)器人能夠探測(cè)到擂臺(tái)的邊沿，并判斷其在擂臺(tái)中的位置，還能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)對(duì)方的機(jī)器人。

由于Sharp系列的紅外測(cè)距傳感器的性能優(yōu)越，因此采用型號(hào)為Sharp GP2D12紅外測(cè)距傳感器來檢測(cè)對(duì)方機(jī)器人。納英特NC0901灰度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，較多的運(yùn)用在各類的機(jī)器人，本文采用其對(duì)擂臺(tái)表面灰度進(jìn)行識(shí)別。

2.5 動(dòng)力裝置

擂臺(tái)機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)采用電池為機(jī)器人供電。考略到機(jī)器人的整體空間較小，不宜采用大容量單體航模電池給機(jī)器人供電，所以擬采用18650電池串并聯(lián)給機(jī)器人供電。采用2節(jié)18650電池串聯(lián)成1組，再將5組18650電池并聯(lián)為機(jī)器人供電。18650電池具有較多的優(yōu)勢(shì)，在使用上可以完全滿足擂臺(tái)機(jī)器人機(jī)器人的要求。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

擂臺(tái)機(jī)器人由于對(duì)抗性較強(qiáng)，需要有較高的抗沖擊性能，因此本體采用奧氏體304作為機(jī)器人外殼的材料。在紅外測(cè)距傳感器布放上，采用前、后、左前、右前、左后、右后方分別布放一個(gè)的策略，增大機(jī)器人的檢測(cè)范圍，減少其盲區(qū)。其布放如圖2所示。

圖2 紅外測(cè)距傳感器布放位置

機(jī)器人的攻擊鏟采用斜坡鏤空設(shè)計(jì)，不僅減輕了機(jī)器人的自重，同時(shí)也增加了機(jī)器人整體的美觀感和力量感，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人攻擊鏟

攻擊鏟與機(jī)器人的本體的連接采用的是由焊接成型的L型桿，該零件使得機(jī)器人的攻擊鏟能夠在上臺(tái)之后順利下落，保證機(jī)器人完成預(yù)定的功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。連桿在擂臺(tái)機(jī)器人中的主要作用是將攻擊鏟與機(jī)器人上的軸承相連接，實(shí)現(xiàn)攻擊鏟的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人對(duì)抗過程中，對(duì)方機(jī)器人的強(qiáng)大沖擊力通過攻擊鏟傳給了連桿，所以連桿的攻擊過程也會(huì)收到較大的沖擊力，所以對(duì)機(jī)器人的連桿進(jìn)行校核是十分必要的。由于擂臺(tái)機(jī)器人具有較強(qiáng)的對(duì)抗性，為了防止機(jī)器人在比賽過程中由于應(yīng)力太大而造成零件失效，所以在擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)中需要對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力校核。此次設(shè)計(jì)采用Solidworks進(jìn)行三維建模，而SolidWorks Simulation是一個(gè)與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，為進(jìn)行無縫銜接，避免出現(xiàn)格式轉(zhuǎn)化的不兼容，所以此次仿真采用SolidWorks Simulation進(jìn)行。

圖4 機(jī)器人連桿

目前大多數(shù)的擂臺(tái)機(jī)器人所采用的電機(jī)的轉(zhuǎn)速n在900 r/min左右，而機(jī)器人所采用的輪胎的直徑D為67 mm，所以通過公式v=n*l（l=π*D為機(jī)器人輪胎的周長(zhǎng)）可以計(jì)算得機(jī)器人的最大速度為v=3.1557 m/s，機(jī)器人的整體重量按照4.0 kg計(jì)算，接觸時(shí)間t取0.5 s，由動(dòng)量定理F=m*v/t可得擂臺(tái)機(jī)器人攻擊鏟受到的最大沖擊力為F=25 kg。

連桿的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。從圖中可知，機(jī)器人連桿各部分的應(yīng)變較小，在比賽過程中不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變破壞，可以滿足機(jī)器人對(duì)連桿強(qiáng)度的要求。

圖5 連桿應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的輪式擂臺(tái)機(jī)器人，并對(duì)該機(jī)器人的控制裝置、行走裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)采集裝置和動(dòng)力裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，分析結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠滿足擂臺(tái)比賽激烈對(duì)抗的要求，對(duì)未來新型的擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供一些參考價(jià)值。