基于Robomaster哨兵機(jī)器人的360°傳彈方法

王瀚，李國利，胡曉航，田田

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

近些年來隨著機(jī)器人競賽的發(fā)展，涌現(xiàn)出各種各樣的比賽，在這其中有一項(xiàng)以射擊對抗為核心的比賽在眾多比賽中脫穎而出，這便是Robomaster全國大學(xué)生機(jī)器人大賽。

這個(gè)比賽通過發(fā)射17 mm的子彈命中敵方裝甲模塊，來進(jìn)行計(jì)分和判定勝負(fù)。這個(gè)比賽的一大亮點(diǎn)便是發(fā)射實(shí)體的彈丸來命中敵方裝甲。如果想要在這個(gè)比賽中獲勝，有一套穩(wěn)定的傳輸和發(fā)彈機(jī)構(gòu)是必不可少的。在這個(gè)比賽中有一類機(jī)器人便是哨兵機(jī)器人。得益于導(dǎo)電滑環(huán)技術(shù)的發(fā)展[1]，目前的哨兵機(jī)器人云臺(tái)普遍能夠360°自由旋轉(zhuǎn)。擁有360°自由旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)，能讓哨兵機(jī)器人在賽場上更加靈活。但新增的導(dǎo)電滑環(huán)會(huì)占據(jù)原有的傳彈管路，子彈必須通過其它途徑到達(dá)下方云臺(tái)。圖1所示為賽場上的哨兵機(jī)器人。

圖1 實(shí)際比賽場上的哨兵機(jī)器人

由于哨兵機(jī)器人倒掛在軌道上，用于儲(chǔ)存子彈的彈倉不能放在下方的云臺(tái)上，只能放在機(jī)器人的整體框架上。因此要將子彈從彈倉運(yùn)送到下方發(fā)射機(jī)構(gòu)，必須跨過云臺(tái)yaw軸電動(dòng)機(jī)。云臺(tái)的供電可以用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。子彈運(yùn)輸方面，本文所提出的這套機(jī)構(gòu)將會(huì)提出一種新的解決方案用于傳遞子彈。其核心原理是將子彈通過特殊機(jī)構(gòu)在云臺(tái)電動(dòng)機(jī)外部加以引導(dǎo)，讓子彈能夠沿著電動(dòng)機(jī)外壁運(yùn)動(dòng)到下方云臺(tái)之上。而且這套機(jī)構(gòu)能保證以相同的位置將子彈送入下方的云臺(tái)。

對比其他2種方案，這套方案有更高的可執(zhí)行性。在比賽過程中哨兵機(jī)器人需要將子彈從彈倉傳入到下方發(fā)射機(jī)構(gòu)當(dāng)中。目前的解決方案是：定制空心滑環(huán)，讓子彈從滑環(huán)中間穿過。但這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體積變大，而且空心滑環(huán)體積較大，較為笨重，不利于機(jī)器人輕量化。目前已知的第二種解決方案是：將彈倉和發(fā)射機(jī)構(gòu)都放在云臺(tái)上，但這樣會(huì)導(dǎo)致云臺(tái)質(zhì)量過大，反應(yīng)速度下降，而且對電動(dòng)機(jī)的損耗也會(huì)增加。

為此我們查閱相關(guān)文獻(xiàn)，參考各類相關(guān)技術(shù)論壇，以及各個(gè)戰(zhàn)隊(duì)已經(jīng)成熟方案的開源圖樣，對現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。并利用三維建模軟件對其進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)優(yōu)化，確定了最終的相關(guān)參數(shù)尺寸。并且對子彈在機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析和計(jì)算[2]，計(jì)算了子彈在機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)速度[3]和運(yùn)動(dòng)軌跡。由于這套機(jī)構(gòu)采用一種回旋裝置來對子彈進(jìn)行約束[4]，回旋的過程中有可能對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞，所以我們用有限元分析對易損件進(jìn)行校核。最后得出結(jié)論，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是合理的，這也說明了該方案的可行性。

1 具體實(shí)施方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

要求在下方云臺(tái)任意角度運(yùn)動(dòng)的時(shí)候能夠傳遞子彈，而且不會(huì)影響云臺(tái)的正常運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求下方云臺(tái)能夠接收到上側(cè)彈倉傳過來的子彈。

1.2 工作原理

解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：利用一個(gè)圓環(huán)和一個(gè)圓盤分別固定上下兩部分。由于圓的特性，不論上下兩部分以何種角度，兩裝置的投影都是相同的，利用這一點(diǎn)就可以讓子彈通過兩個(gè)裝置進(jìn)行傳遞。上部的圓環(huán)可以將子彈約束在下方圓盤上方，這樣子彈由于重力作用就會(huì)落入下盤，下盤帶有斜度，最低處有開口，子彈從開口脫離機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到傳遞子彈的目的。而下盤跟隨云臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者無相對運(yùn)動(dòng)，所以子彈能保證進(jìn)入下方云臺(tái)時(shí)位置不變。工作時(shí)的彈丸噴射進(jìn)入機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈丸噴射原理圖

1.3 傳輸說明

這套機(jī)構(gòu)由4個(gè)部分組成。圖3為機(jī)構(gòu)的剖面圖，工作過程中電動(dòng)機(jī)上下有安裝孔，分別連接上下兩部分，電動(dòng)機(jī)為下部分提供轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。上引導(dǎo)裝置2固定于上部分，和機(jī)身本體相連，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候不動(dòng)。下引導(dǎo)裝置4和云臺(tái)相連，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)隨著云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。子彈通過上引導(dǎo)的圓形管道口進(jìn)入主體機(jī)構(gòu)，由于上引導(dǎo)裝置的作用，子彈始終被限制在下部引導(dǎo)裝置的上方。同時(shí)子彈由于重力作用會(huì)落到下引導(dǎo)裝置上，下引導(dǎo)裝置為開口結(jié)構(gòu)，用于接納從上引導(dǎo)裝置落下來的子彈，同時(shí)該機(jī)構(gòu)內(nèi)部有斜度，由于重力作用，子彈會(huì)落到下引導(dǎo)裝置的最低處，同時(shí)最低處設(shè)有出口，子彈會(huì)從此開口落出。由于下引導(dǎo)裝置隨著下部分旋轉(zhuǎn)，所以下部引導(dǎo)的出口和下部分相對位置固定，可以將子彈傳遞到下方云臺(tái)。

圖3 機(jī)構(gòu)剖面圖

2 物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和強(qiáng)度分析

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

在彈倉中的子彈通過彈倉下部的撥彈裝置進(jìn)入輸彈管道。撥彈裝置由撥彈輪和撥彈倉組成，撥彈輪和小型電動(dòng)機(jī)相連，子彈經(jīng)過撥彈輪的梳理會(huì)有序進(jìn)入管道，同時(shí)經(jīng)過撥彈輪后子彈會(huì)獲得一定的速度，這有助于子彈后續(xù)的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)由撥彈輪整理后的子彈會(huì)進(jìn)入引導(dǎo)裝置。而不同的初速度的子彈進(jìn)入環(huán)形引導(dǎo)裝置的具體運(yùn)動(dòng)情況也不一樣。分情況討論。當(dāng)兩個(gè)裝置相對位置恰好為圖4所示的位置時(shí)子彈經(jīng)過裝置所用時(shí)間最少。

圖4 子彈進(jìn)入系統(tǒng)后以最短路徑脫離

假設(shè)物料以初速度V進(jìn)入環(huán)形引導(dǎo)裝置，子彈在引導(dǎo)裝置中豎直下落的距離為h。目前已知引導(dǎo)裝置內(nèi)徑為124 mm，比賽用的子彈為17 mm。

圖5中虛線為子彈動(dòng)軌跡曲線。當(dāng)子彈從管道射入裝置內(nèi)，開始做平拋運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為二次拋物線，當(dāng)子彈觸底時(shí)恰好下方引導(dǎo)裝置開口在子彈下落著地點(diǎn)，子彈從裝置內(nèi)脫離，不與下方引導(dǎo)裝置接觸，直接進(jìn)入下方云臺(tái)。設(shè)子彈以初速度0.72 m/s進(jìn)入裝置，裝置高度為42 mm，由自由落體公式h=gt2/2可以算出下落的時(shí)間為0.09 s，物體所走的水平距離為65 mm，即恰好可以脫離下引導(dǎo)裝置的最短時(shí)間為0.09s。

圖5 子彈以最短路程經(jīng)過裝置時(shí)的軌跡

子彈在裝置中運(yùn)動(dòng)距離最長，2個(gè)機(jī)構(gòu)的相對位置如圖6所示。當(dāng)子彈射入裝置后，會(huì)受到上引導(dǎo)裝置的限制，沿著上引導(dǎo)裝置內(nèi)壁做回旋運(yùn)動(dòng)，最終落到下引導(dǎo)裝置的托盤之上。在俯視圖中，物料所走的路程為一個(gè)直線段加半圓，同時(shí)物料還有高度上的位移?，F(xiàn)在分2種理想情況進(jìn)行討論。第一種情況是：物料初速度較大，不接觸底盤，直接沿著裝置內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，從出口脫離。第二種情況是：物體初速度較小，經(jīng)由滑環(huán)下部滑出出料口。在第一種情況下，物體運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段：第一階段做平拋運(yùn)動(dòng)，第二階段與內(nèi)壁接觸開始做圓周運(yùn)動(dòng)。比賽中子彈的大小為17 mm的球體，引導(dǎo)裝置的內(nèi)徑為124 mm，減去球體的直徑得到球體質(zhì)心所走路徑為一個(gè)107 mm的半圓，同時(shí)測得球體所走的直線距離為64 mm。得到總的路程S=64+107π=400.1 mm，由自由落體公式可得物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.09 s，由公式S=v·t可以算出進(jìn)入物體的初速度v=4.4 m/s。第二種情況下，速度過小就會(huì)落到下盤。具體下落時(shí)間與下盤的運(yùn)動(dòng)角速度和角加速度有關(guān)，而且與下盤的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，當(dāng)子彈的運(yùn)動(dòng)方向和下盤的運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)時(shí)間變長，當(dāng)子彈運(yùn)動(dòng)方向和下盤的運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)時(shí)間縮短。

圖6 子彈以最大位移從裝置中脫離

2.2 強(qiáng)度校核

通過運(yùn)動(dòng)分析可知，上引導(dǎo)裝置將會(huì)給彈丸提供一個(gè)向心力，如圖7所示。速度越快，需要的向心力越大，外壁所受到的反作用力也越大。如果速度大到一定程度，外壁所受到的反作用力將會(huì)使外壁發(fā)生形變。如果受到的力過大則有可能發(fā)生損壞。因此需要對易損件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖7 球形彈丸會(huì)與外壁接觸

下面利用SolidWorks進(jìn)行有限元分析。在上引導(dǎo)裝置的內(nèi)壁加上一圈向外方向的力來模擬提供給子彈的向心力。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 受力后應(yīng)變圖

通過圖8可以清晰地看出，當(dāng)施加相等外力在周圈上時(shí)，靠近入口的半圈受力應(yīng)變最大，而遠(yuǎn)離射入口的半圈受力所產(chǎn)生的應(yīng)變小。而給子彈提供向心力的主要為遠(yuǎn)離射入口的半圈，而靠近射入口的半圈幾乎不受力。由此可以得出結(jié)論，這個(gè)件的受力是完全合理的。

3 應(yīng)用推廣

這套系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在Robomaster比賽賽場上，還可以應(yīng)用在各種機(jī)械臂上，作為傳輸過程中的一個(gè)中轉(zhuǎn)站，這套系統(tǒng)可以安裝在相關(guān)的機(jī)械臂上。例如在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域可以用于運(yùn)輸藥丸，將藥丸利用這套系統(tǒng)從機(jī)械臂外圍運(yùn)輸，從而減少機(jī)械臂來回抓取的時(shí)間，提高效率。還可以用在工業(yè)生產(chǎn)中。在工業(yè)生產(chǎn)中的裝配機(jī)械臂，可以將較小的零部件從機(jī)械臂外側(cè)運(yùn)輸，而減少了抓取的時(shí)間。圖9所示為分揀機(jī)器人，利用這套機(jī)構(gòu)可以將物料通過機(jī)械臂的外圍直接運(yùn)輸?shù)椒謷C(jī)械手上，減少了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性。

圖9 分揀機(jī)械臂

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)并校核一個(gè)新的機(jī)構(gòu)，改進(jìn)了一種Robomaster哨兵機(jī)器人的傳彈方法。采用一種新的中間機(jī)構(gòu)，能夠讓子彈順利跨過云臺(tái)電動(dòng)機(jī)，消除了加裝導(dǎo)電滑環(huán)所帶來的不良影響。而且對不同初速度進(jìn)入裝置的子彈運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析和計(jì)算。提出了機(jī)構(gòu)中的易損件并分析了易損件的易損原因，最后通過SolidWorks有限元分析校核了該件的強(qiáng)度，分析了易損件中不同位置的受力情況，驗(yàn)證了這個(gè)機(jī)構(gòu)的合理性和可行性。最后進(jìn)行了應(yīng)用拓展，分析了在不同領(lǐng)域內(nèi)這套機(jī)構(gòu)的具體拓展形式。雖然這套機(jī)構(gòu)有較為廣泛的應(yīng)用性，但同時(shí)這套裝置也有一定的不足。目前這套機(jī)構(gòu)只能用于傳遞圓形子彈，無法適用于形狀更復(fù)雜的不規(guī)則物料，這也是今后研究和改進(jìn)的方向。