手動投球機器人控制系統(tǒng)設計

1、手動投球機器人控制系統(tǒng)設計1.緒論1.1機器人概述機器人科學是一門綜合了機械、電子、材料、計算機、傳感器、仿生、人工智能等多種前沿科學的綜合性學科，是最能體現(xiàn)一個國家基礎科學技術和制造業(yè)水平的學科之一。1920年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅薩姆的萬能機器人。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，“Robota”是奴隸的意思。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關注，被當成了機器人一詞的起源。在該劇中，機器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司取得了成功，使機器人具有了感情，導致機器人的

2、應用部門迅速增加。在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員。機器人發(fā)覺人類十分自私和不公正，終于造反了，機器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了人類?？ㄅ蹇颂岢龅氖菣C器人的安全、感知和自我繁殖問題?？茖W技術的進步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實。為了防止機器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“機器人三原則”：(1)機器人不應傷害人類；(2)機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；(3)機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機器人賦予的倫理性綱領。機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則。機器人真正出現(xiàn)

3、在人類社會中的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才算真正開始。機器人發(fā)展到現(xiàn)在，可以分為三代：第一代是示教再現(xiàn)型機器人：它由人操縱機械手做一遍應當完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機械手臂動作，在動作過程中機器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當機器人工作時，能再現(xiàn)人教給它的動作，并能自動重復的執(zhí)行。這類機器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應變化的環(huán)境。 第二代是有感覺的機器人：它們對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。機器人工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。第三

4、代是具有智能的機器人：智能機器人是靠人工智能技術決策行動的機器人，它們根據(jù)感覺到的信息，進行獨立思維、識別、推理，并作出判斷和決策，不用人的參與就可以完成一些復雜的工作。目前，智能機器人已在許多方面具有人類的特點，隨著機器人技術不斷發(fā)展與完善，機器人的智能水平將越來越接近人類。1.2目前研究的概況和發(fā)展趨勢當今世界，機器人特別是工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成為一個規(guī)模巨大的產(chǎn)業(yè)。據(jù)粗略估算，全球現(xiàn)在至少有76萬臺機器人正投入使用。中國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。我國于1985年研制成功第一臺弧焊機器人，距世界最早的機器人實用機型推出晚了23年。目前，我國從事機器人研發(fā)、制造的單位已達200多家

5、。2000年，我國工業(yè)機器人的擁有量約為3500臺，其中國產(chǎn)的占五分之一。但是由于我國機器人產(chǎn)業(yè)化起步較晚，步伐較慢，基礎工業(yè)力量比較薄弱，致使工業(yè)機器人長期大量依賴進口。研究與市場脫節(jié)是我國機器人產(chǎn)業(yè)化過程中一個急需解決的問題。同時，我國的企業(yè)也缺少大規(guī)模集成的經(jīng)驗，難以形成很強的競爭力。1.3機器人競賽介紹 近年來,隨著計算機、傳感器和人工智能等技術的飛速進步，機器人科學得到了前所未有的發(fā)展.在制造行業(yè)中，尤其是汽車工業(yè),機器人已經(jīng)成為生產(chǎn)線上的主力，可以說一個企業(yè)其生產(chǎn)線上機器人的質量和數(shù)量幾乎可以說明這個企業(yè)的生產(chǎn)效率和水平。不僅如此，機器人的應用也擴展到很多其他領域，比如偵察、探測機

6、器人，護理機器人，農(nóng)業(yè)機器人，甚至還有家用的清潔機器人而各類機器人競賽就是近年來發(fā)展起來的一種新興事物。通常情況下，比賽發(fā)布一個目標和一套規(guī)則，參賽選手據(jù)此設計機器人，與其他選手競爭，從而贏得比賽。機器人比賽集合科技、教育、比賽、娛樂于一體，即是科普活動的一個良好載體,同時也是基礎研究的一個大舞臺,不僅是有趣的娛樂項目同時也能反映出一個國家科技水平的高低。機器人競賽給青年人提供了一個充分展示聰敏才智的舞臺,培養(yǎng)了他們實際動手能力,團隊協(xié)作能力,提高了創(chuàng)新能力, 更使大學生對相關學科的理論學習有了更直觀的認識。同時，這些非工業(yè)用途的研究型和教學型機器人，其意義遠不僅是它們自身所能帶來的直接經(jīng)濟價

7、值。這類機器人往往是各種學科最新技術的交叉實驗平臺，在新型機器人上應用的技術有可能很快就出現(xiàn)在其他領域的實際產(chǎn)品中，不但促進了機器人自身的發(fā)展，也帶動了其他相關領域產(chǎn)品的進步。每年世界各地都有各種主題的機器人比賽，比如機器人足球比賽，包括ROBOCUP系列和FIRA系列，機器人越野比賽，以及ABU的ROBOCON比賽。“亞洲太平洋地區(qū)廣播電視聯(lián)盟”（簡稱亞廣聯(lián)）于2001年發(fā)出倡導，在亞洲及太平洋地區(qū)舉行一年一度的亞太地區(qū)大學生機器人大賽，并決定在2002年8月31日在日本東京舉行首屆亞太地區(qū)大學生機器人大賽。中央電視臺作為亞廣聯(lián)成員之一，從2002年開始在國內(nèi)舉行一年一度的全國大學生機器人電

8、視大賽。其宗旨是：(1)貫徹中央科教興國戰(zhàn)略方針的具體體現(xiàn)和創(chuàng)新舉措，是以媒體促科技宣傳方針的進一步嘗試；(2)為大學生們提供了一個探索科技、創(chuàng)新思維與實踐行動的機會；(3)為激發(fā)青少年開發(fā)與研制高科技的興趣與愛好，培養(yǎng)科學創(chuàng)新精神，激勵創(chuàng)新思維，活躍校園科技，培養(yǎng)未來科技人才和力量，提供了舞臺。同時在全國大賽中選拔隊伍代表中國參加亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學生機器人大賽。中央電視臺的機器人大賽在國內(nèi)已成功舉辦了四屆，各級領導都給予了足夠的重視。國家科技部、國家教育部、中國科學院、中國科協(xié)、國家計劃機器人技術主題都非常支持機器人大賽，在各級領導的關懷和支持下，中國大學生機器人比賽正在茁壯成長，中國機器人

9、代表隊出征亞太機器人大賽也取得了優(yōu)異的成績：第四屆亞太大學生機器人大賽在中國北京舉行，大賽主題為“登長城、點圣火”。本設計的目的就是為本次比賽設計參賽機器人，其機構和功能是按照本次比賽規(guī)則，為了完成比賽任務而設計的。作為我校參賽機器人團隊計劃得一部份，本設計主要是負責手動機器人控制部分的設計和制作。1.4機器人大賽的主題和規(guī)則 登長城，點圣火長城是中國也是世界上修建時間最長、工程量最大的一項古代防御工程。它既是具有豐富文化內(nèi)涵的文化遺產(chǎn)，又是獨具特色的自然景觀。國內(nèi)外游人常以“不到長城非好漢”的詩句來表達一定要親自登上長城飽覽中華悠久文明和壯麗山河的心情。讓我們登上長城的烽火臺，點燃圣火吧。本

10、屆大賽的意圖是通過手動和自動機器人協(xié)作，登長城并向5個火炬和4堆篝火添加燃料得分，比賽時間為3分鐘。 1 比賽場地 圖 1.4-1 場地 比賽場地為14000mm14000mm的正方形區(qū)域。 賽場地面用2mm厚的聚乙烯片鋪設。聚乙烯片將用無光澤的聚乙烯帶連接。 比賽場地周圍有100mm高30mm厚的木質圍欄。 比賽場地由“手動區(qū)”、“篝火區(qū)”和“自動區(qū)”（包括烽火臺）組成。每個區(qū)域的細節(jié)參見所附的賽場布局圖。 自動區(qū) a. 范圍：9000mm9000mm 的方形區(qū)域。 b. 四周有100mm高、30mm厚的木質圍欄。 c. 只有自動機器人可在自動區(qū)運行。自動區(qū)貼有30mm寬的白色引導線。 d.

11、 每個隊的自動機器人啟動區(qū)大小為1000mm1000mm，位于自動區(qū)邊上，兩隊的啟動區(qū)相對配置。 e. 自動區(qū)正中有一個八邊形烽火臺，高度100mm，它的四條邊長為2000mm，另四條邊長為1414 mm。在兩條2000mm的邊與自動區(qū)地面之間有坡度為1/5的斜面。 f. 自動區(qū)中有5個火炬。高度為1800mm的主火炬位于場地正中。另4個高度為1500mm的外圍火炬在它的四周。 圖 1.4-2 主火炬g. 火炬為上大下小的透明開口圓桶，裝在火炬柱上。主火炬用紅、藍、綠色的隔板均分為三部分，每一部分是一個燃料筒。每個外圍火炬用紅、藍色隔板均分為兩個燃料筒。主火炬在受外力作用時可繞火炬柱旋轉。外圍

12、火炬不能旋轉。 h. 自動區(qū)中的安排細節(jié)參見所附的場地布局平面圖。 篝火區(qū) 四個直徑為1200mm的篝火區(qū)位于自動區(qū)的四角。 篝火區(qū)中央有直徑600mm、高100mm的燃料盤，盤邊寬50mm，盤深30mm。燃料盤與地面以350mm寬的斜面相連。篝火區(qū)的細節(jié)參見所附的場地布局平面圖。 手動區(qū) a. 手動區(qū)在自動區(qū)和篝火區(qū)周圍。 b. 手動區(qū)左、右兩邊相對配置兩隊的球庫。每個球庫可放16個燃料球。 c. 手動機器人啟動區(qū)是1000mm1000mm的方形區(qū)域，位于手動區(qū)上、下兩邊的正中。兩隊的啟動區(qū)相對配置。 d. 手動區(qū)中的安排細節(jié)參見所附的場地布局平面圖。 2 參賽隊成員 每個參賽隊由來自同一所

13、大學或工學院的4名成員組成，3名學生和l名指導老師。只有3名學生可以進入賽場。 參賽隊成員在參加比賽時必須是在大學/工學院注冊的。 研究生沒有參賽資格。 3 機器人 每個參賽隊必須設計和制作手動機器人或自動機器人，也可以同時制作手動機器人和自動機器人，對機器人的數(shù)量沒有限制，但每隊只允許有一臺手動機器人。 手動機器人 a. 手動機器人必須通過電纜連接的遙控器或紅外、可見光、聲波遙控器操作。不允許用射頻。操作者不能騎在機器人上。 b. 通過電纜操作時，電纜在機器人上的連接點至少應高出地面1000mm，同時，從手動機器人到控制盒的電纜長度不能超過3000mm。 c. 比賽一旦開始，參賽隊員不能接觸

14、手動機器人。 自動機器人 a. 自動機器人必須是自主的。 b. 由一臺自動機器人分離出來的每一件物品均被認為是另一臺自動機器人，所以，它必須能像自動機器人一樣工作。 c. 比賽開始前，每個隊的所有自動機器人總共可預裝16個燃料球。 d. 每臺自動機器人必須一次操作啟動。 e. 自動機器人可以進入除篝火區(qū)以外的任何區(qū)域，但不能伸到篝火區(qū)上方。 f. 比賽開始后，所有自動機器人可以逐個啟動，但啟動動作必須在20秒內(nèi)完成，然后，負責啟動的隊員必須立即退出賽場，站在木圍欄外。在規(guī)定時間內(nèi)沒有啟動的自動機器人將被留在啟動區(qū)內(nèi)。 g. 一旦機器人啟動，參賽隊員不能接觸機器人。 h. 自動機器人不允許以任何

15、方式相互通信。 控制方法 a. 每隊只有一個操作者可以在賽場上操縱手動機器人。 b. 對于自動機器人，每場比賽每隊允許一次“重試”。某隊叫“重試”且裁判允許后，該隊的所有隊員均可在啟動區(qū)重新設置和啟動本隊的任何自動機器人。但是，所有“重試” 的動作必須在20秒內(nèi)完成，然后，負責啟動的隊員必須立即退出賽場，站在木圍欄外。只有在啟動自動機器人和一次“重試”時，自動機器人的操作者才能進入賽場。 能源 a. 比賽期間各隊應為自己的所有機器人準備能源。 b. 機器人的電源電壓必須低于24VDC。 c. 不允許使用組委會認為危險和不適當?shù)哪茉础?重量 a. 每個隊上場的所有機器人的總重不得超過50kg。

16、b. 總重包括能源、電纜、遙控器和機器人其它部件的重量。 尺寸 a. 自動機器人的總尺寸必須能納入啟動區(qū)1000mm1000mm1500mm的范圍內(nèi)。 b. 自動機器人離開啟動區(qū)后可以分離，尺寸可以自由改變，但高度不能超過2000mm。 c. 手動機器人的總尺寸必須能納入啟動區(qū)1000mm1000mm1500mm的范圍內(nèi)。 d. 離開啟動區(qū)后，手動機器人的尺寸可以自由改變，但高度必須在1500mm以內(nèi)，且不能分離。 4 物品（燃料球） 燃料球為直徑150mm、重量約150g的膠質小籃球。 球內(nèi)的氣壓是要控制的，使它的彈性較差。球從1m高處落下時的反彈高度不應超過150mm50mm。 兩隊分別使

17、用紅色和藍色的球。在任何情況下不能使用對方的燃料球。 5 比賽 賽制 初賽為小組單循環(huán)賽，1/8、1/4復賽、半決賽、決賽為淘汰賽。 比賽持續(xù)時間 a. 比賽將持續(xù)3分鐘。但是，如果某隊 在主火炬的綠色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球， 在某一對角線上的兩個外圍火炬的自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球， 并且，在四個篝火燃料盤中至少各有一個自己的燃料球， 該隊即實現(xiàn)“登上長城”，比賽將立即結束。 b. 機器人的設置必須在接到設置命令l分鐘之內(nèi)完成。 記分 a. 比賽結束時記分。 b. 能留在火炬燃料筒或篝火燃料盤內(nèi)的燃料球（燃料球不得與機器人接觸）可以記分。記分規(guī)則如下： * 主火炬

18、燃料筒中的一個燃料球記5分。 * 外圍炬燃料筒中的一個燃料球記1分。 * 燃料盤中的一個燃料球記1分。 c. 主火炬的燃料筒必須由登上烽火臺的自動機器人添加燃料球。. d. 在綠色燃料筒和篝火燃料盤中，兩隊的燃料球分別記分。 e. 如果某隊將自己的燃料球投入對方的燃料筒，判對方得分。 確定獲勝者 比賽的優(yōu)勝者將根據(jù)下列情況確定。 a. “登上長城”的隊贏得比賽。 b. 在兩隊均未“登上長城”的情況下，將所有得分相加扣除犯規(guī)分，得分多的隊獲勝。 c. 如果出現(xiàn)平局，比賽的獲勝者將按以下順序來決定。 在主火炬的自己的燃料筒和綠色燃料筒中均添加了燃料的隊獲勝。 在所有火炬中得分多的隊獲勝。 如果按上

19、述順序仍不能選定優(yōu)勝者，將由裁判確定。 6 犯規(guī)及扣分 下述動作被視為犯規(guī)并每次扣除1分。如某隊被扣除了3分，該隊將被取消資格。 手動機器人及其操作者接觸手動區(qū)以外、自動區(qū)或篝火區(qū)的地面。 手動機器人將自己的部件伸入自動區(qū)或篝火區(qū)上方。 手動機器人接觸本隊的自動機器人。 如果上述、的犯規(guī)持續(xù)，每5秒鐘將扣1分。 自動機器人試圖向燃料盤添加燃料或有意完成某些動作時將自己的部件伸入篝火區(qū)上方. 自動機器人或手動機器人揀拾或使用對方的燃料球，或手動機器人的操作員有意接觸對方的燃料球。 7 取消比賽資格 參賽隊的下列行為會被裁判認定不合格，該隊會被取消比賽資格。 企圖損壞比賽場地、設施（包括燃料庫中的

20、燃料球）或對方的機器人。 手動機器人在任何區(qū)域內(nèi)接觸對方的自動機器人。 做出任何有悖公平競爭精神的動作。 8 安全 制成的所有機器人均不能對操作者、觀眾和裁判造成傷害。 為了保證安全，如果使用激光束，必須低于2級激光，并以不傷害任何操作者、裁判和觀眾的方式使用。 9 機器人制作和運輸費用 制作費用 組委會給每個參賽大學提供人民幣一萬元作為機器人制作補助費。 運輸費用 a. 由組委會指定的運輸公司負責運輸機器人，具體細節(jié)將今后通知。 b. 機器人必須包裝，使之可放入一個尺寸為1500mm1500mm1500mm的板條箱內(nèi)。 10 其它 對于本規(guī)則沒有規(guī)定的行為，裁判有權做出裁決。在有爭議的情況下

21、，裁判的裁決是最終裁決。 對規(guī)則的任何修改將由大賽組委會發(fā)布。 鼓勵所有參賽隊以其大學的標識裝飾自己的機器人。 只允許自制的機器人參賽。 11 獎勵 獎項有冠軍獎、亞軍獎、季軍獎（并列），還有最佳技術獎、最佳創(chuàng)意獎、最佳設計獎、最佳策略獎、最佳風格獎各一名。組委會鼓勵觀眾參與評出觀眾最喜愛獎。 12 機器人設計與制作的注意事項 以下是制作機器人時應注意的幾個問題。在任何情況下，都要充分注意避免危險。 每個參賽隊應避免機器人損壞比賽場地和設施， 作為大賽規(guī)則的正式補充資料，組委會將發(fā)布FAQ（常見問題）。 要求每個參賽大學準備一個5分鐘的錄像帶，說明參賽隊機器人的結構和運動。機器人啟運前，組委會

22、將通過錄像帶檢查每個參賽的機器人是否符合規(guī)則。 附件 關于材料的簡要說明 1 主火炬及外圍火炬 a. 所有火炬，包括隔板，均用3mm厚的無色聚苯乙烯板制作。 b. 聚苯乙烯板的接縫處用強力膠粘合。 c. 根據(jù)需要，聚苯乙烯板貼紅、藍或綠色不干膠紙。 2 火炬柱 a. 所有火炬柱均用鋼或鋁材制作。 b. 提供了一套火炬柱的參考設計圖。各參賽隊構建練習場地時，可自行設計火炬柱，只要主火炬柱能繞自己的軸自由地被動旋轉即可。 2.總體方案分析與策略2.1整體設計思想 由于本次機器人大賽是采用兩參賽隊對抗的方式，因此要求雙方機器人無論是機器人的方案設計、選材、制作質量、機器人本身的重量控制方面，還是在比

23、賽過程中，機器人運動的路線、定位的選擇，這些相關的因素考慮都是非常關鍵的，直接關系到在比賽過程中能否戰(zhàn)勝對手，取得對抗賽的勝利。 要想取得比賽的勝利，參加比賽的機器人必須在以下幾個方面達到要求： (1)功能強大 為了能完成比賽規(guī)定的動作，必須具備高效、可靠的動作機構。(2)信息處理能力強 作為場上機器人，特別是自動機器人，需要按照一定的路線行進，對環(huán)境位置信息進行處理和判斷，以便完成既定任務。(3)速度快 速度是搶占場上優(yōu)勢最重要的手段。(4)堅固穩(wěn)定 機器人在場上很可能與對方機器人相撞，因此堅固的機身是獲得勝利的基礎，并且設計上也要考慮防止機器人傾覆的措施。(5)可靠性高 由于是電視大賽，比

24、賽場上的情況十分復雜，各種燈光和無線電信號會干擾機器人的傳感器，而比賽雙方使用的大功率電機也是很大的干擾源，對機器人的單片機是很大的考驗。因此電路部分的可靠性十分重要。(6)性價比高 由于是各學校提供資金制作機器人，因此資金非常有限。如何在現(xiàn)有的條件下盡可能制作出高水平的機器人，是我們需要考慮的一個重要因素。 2.2規(guī)則要點分析本屆ABU ROBOCON比賽規(guī)則延續(xù)了往界比賽規(guī)則的許多要素。其中之一就是，賽場中心的得分點是整個比賽的焦點。中心得分點的分值明顯高于其他得分點，并且由于ROBOCON比賽從來都不光以得分多少來決定勝負，而是加入了一種能夠讓參賽某一方立即獲勝并結束比賽的機制，例如本屆

25、比賽的這種機制叫做“點燃圣火”，完成“點燃圣火”必須滿足以下全部條件： 在主火炬的綠色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球， 在某一對角線上的兩個外圍火炬的自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球， 并且，在四個篝火燃料盤中至少各有一個自己的燃料球。由此可見，比賽雙方無論其目的是多得分還是爭取“點燃圣火”，都必須竭盡全力搶占在中心火炬的主動。 圖 2.2-1 點燃圣火條件根據(jù)比賽規(guī)則，手動機器人可以和自動機器人同時上場比賽，而每隊最多只能有一個手動機器人，自動機器人的數(shù)量不限制，但每隊所有場上機器人的總重量不能超過50公斤。由此可見，自動機器人和手動機器人的合理搭配和戰(zhàn)術上的互相配必然會對比賽

26、結果產(chǎn)生至關重要的影響。 2.3“點燃圣火”戰(zhàn)術回顧歷屆ABU ROBOCON比賽，獲勝的各支強隊大都是以立即獲勝結束比賽為目標（第一屆叫做“登頂”，第二屆叫“征服太空”，第三屆叫“鵲橋相會”）。這通常是最能體現(xiàn)比賽意圖，能夠完成所有既定動作并徹底擊敗競爭對手的方法，但同時意味著，這也是最困難的方法。圖 2.3-1第一，必須保證在中心得分點取得主動權，這是首要問題，因為無論對方的目標是“點燃圣火”還是多得分，都必然會向中心得分點發(fā)動全力的進攻。雙方在主火炬必然會發(fā)生非常激烈的對抗，要么拼速度，要么拼力量。這樣就使得我方進攻主火炬的力量絲毫不能松懈。圖 2.3-2 副火炬路線第二，要在某一對角線

27、上的兩個外圍火炬的自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球，這個動作通常不能由進攻中心得分點的機器人來完成（首先速度上就無法保證），這樣一來，就必須由另外的一個或兩個甚至更多的機器人來完成向副火炬投燃料球的任務。增加機器人的數(shù)量首先會增加場上機器人的總重量，而按照規(guī)則，所有場上機器人的總重量不得超過50KG。其次，自動機器人的出發(fā)區(qū)只有1000mm1000mm1500mm，規(guī)則規(guī)定自動機器人在出發(fā)之前不得超過這個范圍。讓多個機器人集中在這樣一個區(qū)域，并且不影響各自的形狀、尺寸和功能，這是十分有難度的。而且如果對方也試圖在對角線副火炬得分，那么雙方副火炬機器人的路線有可能會重疊，既而有可能發(fā)生碰撞或者

28、其他形式的互相干擾，這樣就增大了比賽的不確定性。還有一個重要的問題就是，制作機器人的數(shù)量增多，會直接導致整體制作成本的提高，而成本是我們完成整個比賽非常大的一個限制因素。第三，要在四個篝火燃料盤中至少各放一個自己的燃料球，這個條件也比較困難。首先篝火盤的形狀比較特殊，像一個淺底的盤子，在將燃料球放到篝火盤上的時候，如果燃料球有一定的橫向速度，那么它就很容易滾出去。最好的辦法就是將燃料球送到篝火盤上方，使其垂直落下。雖然篝火盤的位置在手動區(qū)之中，但規(guī)則規(guī)定手動機器人不得將任何部件伸到篝火盤上方，顯然手動機器人無法讓燃料球垂直落入篝火盤中。如果用額外的自動機器人來向篝火盤投球，無疑又會增加自動機器

29、人組合的負擔。另外，由于篝火盤的特殊形狀，使得燃料球在里面很難穩(wěn)定停留，對方很容易用一些非接觸的手段將其逐出。手動機器人又不能故意阻擋對方動作，而且四個篝火盤分別位于場地四角，不可能同時兼顧。圖 2.3-3 篝火盤由上述討論可知，“點燃圣火”的難度非常大，特別是當雙方手動機器人都有很強的破壞能力時，幾乎是不可能完成的。2.4防守反擊戰(zhàn)術阻擋板充氣魚竿前面已經(jīng)討論過，既然中心火炬是重中之重，那么誰先搶占中心火炬，誰就最有可能占據(jù)領先優(yōu)勢。如果目標是“點燃圣火”，那么進攻中心火炬的機器人最少攜帶2個燃料球就可以完成任務（一個放進綠色燃料筐，一個放進己方顏色燃料筐）；如果目標是多得分，那么進攻中心火

30、炬的機器人就需要攜帶6到8個燃料球（根據(jù)燃料筐的容積和燃料球的體積，每個顏色的燃料筐最多能放3到4個燃料球）。這樣以來，主機器人的體積和重量都必然會增加，嚴重影響機器人行走和做動作的速度，對動作的準確性和可靠性也有一定影響。主火炬主機器人圖 2.4-1 魚竿阻擋解決這個問題的辦法就是，主機器人不攜帶燃料球，而是以最快的速度占領中心火炬，用某種干擾手段把中心火炬所有的燃料筐封住，自己暫時不投球，同時也阻止對方投球。在中心戰(zhàn)場情況穩(wěn)定之后，另外一臺自動機器人攜帶燃料球以較慢的速度向中心火炬投球。采用這種戰(zhàn)術的優(yōu)點是初期進攻中心火炬時可以得到最快的速度，有利于占據(jù)場上主動，但缺點也很明顯，就是難度很

31、大。因為己方先后進攻中心火炬的兩個機器人之間需要有非常完美的配合。由于比賽規(guī)則規(guī)定，場上自動機器人之間不允許進行數(shù)據(jù)通訊，因此要想讓兩臺機器人相互配合，就需要在結構設計和傳感器設計方面達到相當高的水準。還有一點就是，如果雙方在進攻中心火炬的速度上勢均力敵，那么極有可能發(fā)生碰撞，進而有可能造成機器人的損壞（機器人接觸主火炬的部分通常是長臂的末端，重量小，堅固性較差）。一但主機器人損壞，就可能無法與副機器人進行事先約定的配合，導致己方在中心火炬完全喪失得分能力。2.5全攻全守戰(zhàn)術 全面進攻：放棄四個副火炬，集中自動區(qū)的全部力量進攻主火炬。把幾個機器人的體積和重量都集中給一個主機器人，使其具備完善的

32、功能和堅固穩(wěn)定的機身。目的是盡量快速搶占中心火炬，即使對方占據(jù)速度優(yōu)勢，我方仍然能夠用自身的動作來破壞對方的阻擋，向中心火炬中投放燃料球。 全面防守：自動機器人得分后可以做出阻攔動作，阻止對方得分。此時手動機器人在手動區(qū)活動，主要任務就是破壞對方在篝火盤的得分，以防對方“點燃圣火”。同時在條件允許的情況下，伺機向副火炬和篝火盤中投球，爭取更多得分。這樣一來雙方就只能通過得分多少來決定勝負。而中心火炬與副火炬及篝火盤之間的分值差距很大，比賽結果基本上就取決于中心火炬的得分情況。 由于我們學校此次是第一次組隊參加這個比賽，綜合實力和經(jīng)驗都不占優(yōu)勢。綜合分析上述幾種戰(zhàn)術，實現(xiàn)“點燃圣火”和防守反擊戰(zhàn)

33、術都需要相當高層次的技術實力和經(jīng)濟實力，以及對整個比賽規(guī)則的透徹理解和對場上比賽復雜形勢的準確把握。而我方首次參賽，各方面實力特別是對比賽規(guī)則的理解，和傳統(tǒng)強隊都有很大差距。而全攻全守相對來說是一種相對比較單純的戰(zhàn)術，雖然有孤注一擲的危險，但我們認為，在敵強我弱的情況下采取這種集中優(yōu)勢兵力打殲滅戰(zhàn)的做法，不失為一個好選擇。3.手動投球機器人整體方案設計3.1 總體設計思想 經(jīng)過前面的戰(zhàn)術討論，我們確定了全攻全守的戰(zhàn)術思想。在這個前提下，手動機器人的首要任務就是破壞對方在篝火盤的得分，同時兼顧向副火炬和篝火盤投球的能力。這就需要手動機器人有很強的破壞能力。另外，由于比賽開始之前手動機器人不能預裝

34、燃料球，所以手動機器人必須具備在手動區(qū)撿拾并儲存燃料球的能力。比賽規(guī)則對手動機器人做了如下要求： 每隊只允許有一臺手動機器人。 每隊只有一個操作者可以在賽場上操縱手動機器人。 手動機器人必須通過電纜連接的遙控器或紅外、可見光、聲波遙控器操作。不允許用射頻。操作者不能騎在機器人上。 通過電纜操作時，電纜在機器人上的連接點至少應高出地面1000mm，同時，從手動機器人到控制盒的電纜長度不能超過3000mm。 比賽一旦開始，參賽隊員不能接觸手動機器人。 手動機器人的總尺寸必須能納入啟動區(qū)1000mm1000mm1500mm的范圍內(nèi)。 離開啟動區(qū)后，手動機器人的尺寸可以自由改變，但高度必須在1500m

35、m以內(nèi)，且不能分離。 我們的設計方案是采用四輪機構，前輪定向從動，后輪用一臺直流電動機通過差速器驅動。行走方向控制通過舵機改變驅動輪方向實現(xiàn)。吃球結構采用橡膠傳送帶形式，通過傳送帶與地面共同擠壓燃料球，向球施加摩擦力，將球吃進球艙。球艙與機器人框架融為一體。投球機構采用氣缸驅動，以壓縮空氣瓶為氣源。通過改變氣缸運動速度改變發(fā)射軌跡，破壞和得分能力兼具，一機多用。 機器人高333mm，寬592mm，長923mm，總重約23KG行進速度為0.21.5m/s投球距離25m 吃球數(shù)量68個圖3.1-1 手動機器人整體32 底盤及行駛機構的設計 通過分析以前的比賽，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)手動機器人的驅動布局方案

36、都是這樣的：采用兩臺電動機，分別驅動機器人后方的兩個主動輪，而前方安裝一個或兩個萬向輪作從動輪。這種方案的優(yōu)點是轉向控制方便。沒有復雜的轉向機構，通過分別控制兩個電機的正反轉就能使機器人轉向，無論從結構上還是電路控制上都比較簡單。圖3.2-1 雙電機驅動布局但是這種方案有一個缺點，那就是很難讓機器人在原地繞某一點精確地旋轉。而只有做到能夠精確旋轉，才能讓機器人的定向發(fā)射機構進行精確瞄準（用來破壞對方篝火盤的得分）。 于是我們設計了另一種方案：在車體后部安裝一個可以控制轉向的主動輪，由一臺舵機控制它的轉向，一臺電動機控制其正反轉。圖3.2-2 主動輪轉向方案 當主動輪轉動方向與車身方向垂直時，車

37、身就會以O點為圓心旋轉，箭頭所示就是車體的瞄準方向。通過微調主動輪前后旋轉，可以比較容易地實現(xiàn)車體的俄精確瞄準。 但我們最終沒有采用這種方案，而是在前面方案的基礎上增加一個差速器和一個主動輪，形成雙可控轉向驅動輪+雙定向從動輪的布局。圖3.2-4 雙主動輪加差速器方案差速器通常是汽車驅動轎的主件，最早由法國雷諾汽車公司的創(chuàng)始人路易斯雷諾發(fā)明，它的作用就是在向兩個半軸傳遞動力的同時，允許兩邊半軸以不同的轉速旋轉，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。一般汽車置于前部的發(fā)動機，通過傳動軸將動力傳至后輪兩軸聯(lián)接處的后橋，然后通過后橋中的差速器分流給兩個后輪，從而帶動汽車

38、運動。兩前輪只起改變方向作用（通過司機轉動駕駛盤實現(xiàn)）。對駕駛汽車的基本要求是，當汽車直線行駛時，兩對前后輪均在平行平面內(nèi)，且應保證兩后輪的轉速一致；當汽車轉彎時，首先使兩前輪轉向，根據(jù)轉向的大小，確定了轉彎中心點的位置。顯然，為保證兩后輪相對地面仍作純滾動，要求兩后輪的轉速不同，右后輪的轉速應大于左后輪的轉速。圖3.2-5 差速器原理圖差速器就能實現(xiàn)使兩后輪轉速有時相等、有時不等的要求。如圖所示差速器是由圓錐齒輪組成的差動輪系，與傳動軸相聯(lián)的圓錐齒輪1帶動 實際起系桿作用的圓錐齒輪2，然后通過行星輪4分別帶動與兩后輪相聯(lián)的中心輪3、5轉動。對于該差動輪系而言，齒輪2（也即系桿H）為輸入運動構

39、件，齒輪3、5為兩輸出運動構件。當汽車直線行進時：在差動輪系中 故 （3.2-1） 由于汽車直線行駛，地面對兩后輪的約束作用相同，所滾動的路程相同，所以輪3、5的轉速相等，即n3=n5，代入式（3.2-1）可得n3=n5=nH=n2 。這表明齒輪3、5同系桿H之間沒有相對運動，整個差動輪系相當于同齒輪2固聯(lián)在一起，隨齒輪2一起轉動，此時行星輪4相對系桿沒有自轉，如圖所示。當汽車轉彎時：差速器能自動適應在不同轉彎半徑下兩后輪的不同轉速要求。如圖6.3.3-2所示，設兩后輪中心距為2L，轉彎平均半徑為r，此時地面阻力將迫使兩后輪的轉速比按兩輪的轉彎半徑之比分配，即 （3.2-2） 此式即為地面給兩

40、后輪的附加約束條件。聯(lián)立式（3.2-1）和式（3.2-2）即可得到兩后輪的轉速分別為 由上式可知，左右車輪的轉數(shù)隨轉彎半徑變化，沒有打滑。 我們選擇這種方案主要基于以下幾個原因：一是四輪布局要比三輪布局穩(wěn)定性高；二是如果主動輪只有一個，那么當主動輪原地旋轉向時，其與地面接觸的部分是滑動摩擦，阻力比較大，且運動不平穩(wěn)。我們使用舵機來控制主動輪的轉向，因此驅動阻力是個值得考慮的問題。如果采用雙主動輪+差速器的方案，那么主動輪原地轉向時，兩個主動輪就是饒舵機主軸旋轉，與地面之間是滾動摩擦，阻力較小，運動平穩(wěn)；三是根據(jù)當時的實際情況，我們手上剛好有一套模型賽車套件可供拆卸，其中就有整套的小型差速器、車

41、架、半軸和充氣車輪，全部可以直接使用。否則差速器的價格、體積和重量都不適合我們的機器人。3.3 吃球部分設計 對吃球機構的要求是，能夠在較短的時間內(nèi)盡可能地將燃料球拾取到機器人內(nèi)的指定位置。另外如果燃料球散落到手動區(qū)的各個角落，手動機器人應該有足夠的靈活性來拾取這些燃料球。手動機器人的燃料球發(fā)射機構通常距離地面有一定距離，所以還需要特定機構將燃料球提升到指定高度。 我們的設計方案是將拾取機構和提升機構和為一體。圖3.3-1 吃球路徑如圖所示，吃球模塊是由電機帶動的膠皮傳送帶，與地面的距離略微小于燃料球的直徑，因此能夠利用傳送帶和地面夾緊燃料球，同時將其沿內(nèi)舌板與吃球模塊組成的通道輸送到球艙，球

42、艙里的球在重力的作用下落入傳送槽，在此由橫向傳送帶送入發(fā)射位置。預緊彈簧電動機圖3.3-2 吃球機構結構圖吃球模塊實際上是一個三角形的傳送帶系統(tǒng)，有一條傳送帶，四個滾筒，其中一個是由電動機帶動的動力滾筒，其余三個是從動滾筒，分別起到支撐和預緊的作用。圖3.3-3 送球機構示意圖橫向傳送帶是一個由電動機帶動的簡單直線傳送帶裝置，主要負責把人料球送到發(fā)射位置。3.4 投球部分設計 由手動機器人的任務所決定，投球部分破壞部分是手動機器人的關鍵。投球能力和破壞能力的高低能夠反映出手動機器人的核心戰(zhàn)斗力。 按照前面討論過的戰(zhàn)術方案，我方手動機器人的首要任務是破壞對方在篝火盤的得分。按照比賽規(guī)則，手動機器

43、人相互之間不能主動碰撞，也不能故意阻擋對方機器人的動作，所以在對方投球之前無法對對方進行干擾，只能在對方投球之后，采用某種手段將對方的燃料球驅逐出篝火盤。規(guī)則還規(guī)定，手動機器人的任何部件都不能進入篝火盤上方的區(qū)域，這就意味著如果對方已經(jīng)把球放入篝火盤中，我方就只能采用某種非接觸的方法將球驅逐出篝火盤。經(jīng)過初步討論，我們設計了幾種備選方案。一是用風扇。用直流電動機帶動風扇高速轉動，將風扇靠近對方的燃料球，用高速氣流將燃料球吹離篝火盤。圖3.4-1 風扇方案二是用壓縮空氣。手動機器人攜帶一個儲滿高壓空氣的氣瓶，在機器人的特定位置引出一個噴嘴，用電磁閥控制氣路的開關。將噴嘴對準對方的燃料球，利用噴射

44、出高壓氣體將球逐出篝火盤。圖3.4-2 吹氣方案 但是這兩種方法都有缺點，那就是作用距離近，而且擊球的力量也比較小。于是我們設計了另一種方案：利用氣缸作為動力元件，制作一個彈射機構，將己方手動機器人已經(jīng)拾取的燃料球拋射出去，撞擊篝火盤中對方的燃料球。這種方案使用己方的燃料球來撞擊對方燃料球，并沒有違反關于手動機器人不得接觸對方燃料球的規(guī)則。圖3.4-3 彈射機構示意圖經(jīng)過我們的試驗，這種方法十分有效。燃料球的彈射距離非常遠，能達到3米以上，撞擊力量也很大，能夠將篝火盤中的多個燃料球一次全部擊出。配合手動機器人上安裝的可見紅外激光瞄準器，射擊精度也非常高。圖3.4-4 射球動作示意圖這個方案的另

45、一個優(yōu)點就是，稍加改進就能讓此破壞裝置兼具向副火炬投球得分的功能。改進的方法就是改變發(fā)射托盤的角度，使燃料球在發(fā)射的瞬間得到一個向上的分力，從而增大了發(fā)射彈道的角度，彈道也更加彎曲，燃料球可以射進較高的副火炬。改變發(fā)射托盤角度的動作由安裝在發(fā)射架上的一個小型氣缸和一套平行四桿機構來完成。因為燃料球的重量比較小，并不需要氣缸有很大的推力，所以小型氣缸就可以完成動作。另一方面，小型氣缸的自身重量也很小，不會對整個發(fā)射架的工作產(chǎn)生太大影響。 圖3.4-5 射低球圖3.4-6 射高球由于規(guī)則要求手動機器人不能進入篝火盤上方的區(qū)域，向篝火盤投擲燃料球就比較困難。比較好的一種方案就是，設計一條角度固定的滑

46、道，讓燃料球沿滑道滾下，這時燃料球在滑道的方向擁有一定的速度。隨后燃料球滾出手動機器人，沿滑道方向繼續(xù)下落并撞擊地面，落地后又向前彈起。由于此時燃料球的動能已經(jīng)被撞擊消耗掉一大部分，因此當它再次落下，落入篝火盤中會比較容易停止，留在篝火盤中。 雖然可以向篝火盤投擲燃料球，但我們最終決定放棄這個機構，因為在篝火盤的得分太容易被破壞，而在得分值上與副火炬相比并無優(yōu)勢。而副火炬的得分是不可能被破壞的。因此我們覺得向篝火盤投球的機構對整個比賽來說作用不大。而且將我們的破壞發(fā)射機構進行調整后（將發(fā)射速度減?。┮材芟蝮艋鸨P投球，雖然成功的概率比較小，但也能以防萬一。圖3.4-7 滑道落球方案4.機器人氣動

47、回路設計4.1 總體設計按照已經(jīng)確定的整體設計方案，手動機器人的核心功能之一就是投籃、射球機構，而這一機構的動力元件我們選擇使用氣缸，并用電磁閥加以控制。同等功率下，相對于電器裝置，氣壓裝置的體積小，重量輕，功率密度大，結構緊湊，控制比較方便，容易與電子控制系統(tǒng)相結合，適合自動化程度高的場合。這些特性十分符合對比賽機器人的要求。氣動元件的另一個十分重要的優(yōu)點就是實現(xiàn)直線運動很方便，而且速度也比較快。缺點是運動元件的運動位置不能精確控制，通常只能進行滿行程運動。但這個問題可以從機構設計方面進行彌補。相對于氣動系統(tǒng)而言，液壓系統(tǒng)就能夠比較精確地控制運動位置，但液壓系統(tǒng)成本太高，而且重量體積都比較大

48、，還要考慮滲漏等維護問題，因此并不適合比賽機器人使用。按照設計方案要求，需要對一個大氣缸和一個小氣缸分別進行控制，使其能夠按照一定的速度伸出和縮回。同時最好能夠調節(jié)大氣缸的運動速度，以便能夠更靈活地調整射擊角度。氣源方面，使用一個壓縮空氣鋼瓶作為主要氣源。比賽規(guī)則規(guī)定，每場比賽時間最多為3分鐘，因此用鋼瓶儲存一定數(shù)量的壓縮空氣作為氣源，基本可以滿足比賽要求。但為了保險起見，在重量允許的情況下，還應加裝一臺小型電動充氣泵，對鋼瓶內(nèi)的壓縮空氣進行實時補充。4.2 控制回路設計經(jīng)過研究決定兩個氣缸分別用兩個二位五通電磁閥控制。為了調節(jié)氣缸運動速度，使用節(jié)流調速回路，在兩個電磁閥的出氣口分別安裝節(jié)流閥

49、。節(jié)流閥的流量需要經(jīng)過實驗反復調節(jié)，觀察整個機構的運動速度，達到要求之后用螺紋扣件鎖死。圖4.2-1 小氣缸回路圖中G2為氣缸，F(xiàn)2為二位五通電磁閥，J2和J6分別為電磁閥兩種狀態(tài)下的出氣節(jié)流閥。在正常情況下電磁閥電源斷開，高壓氣體從氣缸前端進入，氣缸處于縮回狀態(tài)并保持不動。當發(fā)射命令產(chǎn)生，電磁閥電源接通，高壓氣體從氣缸末端進入，氣缸前端氣體經(jīng)節(jié)流閥調速后排出，使氣缸按照一定速度伸出，從而驅動射球機構將球射出（或將發(fā)射托盤角度升高）。4.3 射擊角度調整模塊大氣缸是燃料球投射機構的主要運動部件，調整它的運動速度就可以改變射球力度和射球彈道軌跡。要想在賽場上根據(jù)情況靈活地改變射球距離和力度，就要

50、為大氣缸設計一套可控的調速模塊。圖4.3-1 大氣缸回路我們采用的方法是在控制大氣缸的主電磁閥F1的出氣口并聯(lián)三個二位三通電磁閥F3、F4、F5，再每個二位三通電磁閥的出氣口上接一個節(jié)流閥（J3、J4、J5）。三個節(jié)流閥的流量經(jīng)過試驗后設定為三個不同的值，即三種不同的運動速度。這樣如果主電磁閥和三個二位三通電磁閥中的任意一個同時通電，那么大氣缸就會獲得事先設定好的這一運動速度。4.4 電磁閥的控制由于此回路比較簡單，不需要作過多的邏輯判斷，所以控制部分可以繞過PLC，用遙控器上的開關直接控制電磁閥。F3、F4、F5三個電磁閥可以正好可以作為F1的保險。在開啟F3、F4、F5其中任意一個之后，再

51、開啟F1，大氣缸才能進行動作。將這幾個電磁閥的控制分別分配給遙控器操縱桿上的按鈕控制，如圖所示，形成了右手食指和拇指的配合操作，手感非常好。F1F5F4F3 F3、F4、F5圖4.4-1 操縱桿按鍵布置整個氣動回路的總圖見附錄。5.零部件的選擇5.1 行走電動機的選擇根據(jù)實踐經(jīng)驗和實驗表明：手動機器人的速度限制在1-2時，比較容易控制，若速度太快則會影響機器人的穩(wěn)定性。為了保證車體的穩(wěn)定性，通過反復的實驗，得到理想的行進速度為1.5，理想的加速度為2。機器人的驅動輪根據(jù)已從市場上買到的為準選為150mm，前輪為180mm。設S為線速度(),D為驅動輪直徑(mm),n為電機減速器的輸出軸轉速(r

52、/min)，傳動比為1：1。根據(jù)公式：帶入數(shù)據(jù)得：電機輸出的扭距應該能推動車平穩(wěn)的前進和產(chǎn)生從靜止到最高速的加速度。預計手動機器人車體的重量為20kg，根據(jù)設計的加速度，機器人車體所受的驅動力為：推動車前進的力矩為：電機的功率： 市場上很多國產(chǎn)減速電動機的雖然價格比較便宜，但質量得不到保證。尤其是減速電機的齒輪箱，往往采用多級圓柱齒輪傳動，而低速級齒輪和高速級齒輪的模數(shù)竟然相同。這樣做的后果是低速級齒輪很容易磨損，產(chǎn)生電機空轉的現(xiàn)象。 作為手動機器人的行走電機，需要輸出比較大的扭矩，因此減速器的質量一定要有保證。我們決定采用拆件的方法，將一臺二手進口無繩直流電鉆的電機和減速器整體拆下，作為手動

53、機器人的行走電機。這臺電鉆的減速器是多級行星齒輪減速器，質量非常好，且有2檔機械變速。最重要的是這種二手電鉆價格便宜，也比較容易買到。電鉆的性能指標：美國DeWalt DW907K2 12伏10毫米鉆/電起子圖5.1-1 DeWalt DW907K2專業(yè)馬達和行星齒輪，最高扭矩可達20牛米，2檔速度，最高轉速1200轉/分，14檔扭矩控制，適合多種工作環(huán)境。電池電壓： 12 V輸出功率： 190瓦 卡頭尺寸： 10毫米最大扭矩： 20牛米無負載速度：0-350/0-1,200轉/分鋼板上鉆孔：10毫米木材上鉆孔：25毫米工具重量： 1.6公斤圖5.1-2 電機安裝效果如上所示，這種電鉆的某些技術指標遠遠超過我們的設計要求。但是應該考慮到給系統(tǒng)留余量，比如機器人有可能做劇烈的加速運動，這時對扭矩的要求就非常大。另外由于電鉆的電動機和減速器是一體的，無法拆分，因此不能更換小功率電動機。此外拆下的電動機和減速器在體積和重量上都比較小。綜合考慮各方面因素，我們認為選用這種方案是比較合理的。5.2 方向舵機的選用 方向舵機驅動差速器和兩個后輪旋轉，改變機器人的行進方向。方向舵機通過同步帶系統(tǒng)驅動車輪轉向。由于不知道差速器的具體技術指標，所以無法計算方向舵機所需要的驅動力矩，