手动投球机器人控制系统设计正文

手动投球机器人控制系统设计 1 1.绪论 1.1 机器人概述 机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。 1920年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语 “Robota” 写成了 “Robot” ， “Robota” 是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式 从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于 1940年提出了 “ 机器人三原则 ” ： (1)机器人不应伤害人类； (2)机器人 应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； (3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。 机器人 真正出现在人类社会中 的历史并不算长， 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才 算 真正开始。 机器人发展到现在，可以分为三代： 第一代是示教再现型机器人：它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人 教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应手动投球机器人控制系统设计 2 变化的环境。 第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术 不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。 1.2 目前研究的概况和发展趋势 当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。据粗略估算，全球现在至少有 76万台机器人正投入使用。中国于 1972 年开始研制自己的工业机器人。我国于 1985年研制成功第一台弧焊机器人，距世界最早的机器人实用机型推出晚了 23年。目前，我国从事机器人研发、制造的单位已达 200多家。 2000年，我国工业机器人的拥有量约为 3500台，其中国产的占五分之一。但是由于我国机器人产业化起步较晚，步伐较慢，基础工业力量比较 薄弱，致使工业机器人长期大量依赖进口。研究与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强 的 竞争力。 1.3 机器人竞赛介绍 近年来 ,随着计算机、传感器和人工智能等技术的飞速进步，机器人科学得到了前所未有的发展 .在制造行业中，尤其是汽车工业 ,机器人已经成为生产线上的主力，可以说一个企业其生产线上机器人的质量和数量几乎可以说明这个企业的生产效率和水平。不仅如此，机器人的应用也扩展到很多其他领域，比如侦察、探测机器人，护理机器人，农业机器人，甚至 还有家用的清洁机器人而各类机器人竞赛就是近年来发展起来的一种新兴事物。通常情况下，比赛发布一个目标和一套规则，参赛选手据此设计机器人，与其他选手竞争，从而赢得比赛。机器人比赛集合科技、教育、比赛、娱乐于一体，即是科普活动的一个良好载体 ,同时也是基础研究的一个大舞台 ,不仅是有趣的娱乐项目同时也能手动投球机器人控制系统设计 3 反映出一个国家科技水平的高低。机器人竞赛给青年人提供了一个充分展示聪敏才智的舞台 ,培养了他们实际动手能力 ,团队协作能力 ,提高了创新能力 , 更使大学生对相关学科的理论学习有了更直观的认识。 同时，这些非工业用途的研究 型和教学型机器人，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接经济价值。这类机器人往往是各种学科最新技术的交叉实验平台，在新型机器人上应用的技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了机器人自身的发展，也带动了其他相关领域产品的进步。 每年世界各地都有各种主题的机器人比赛，比如机器人足球比赛，包括ROBOCUP系列和 FIRA系列，机器人越野比赛，以及 ABU的 ROBOCON比赛。 “亚洲太平洋地区广播电视联盟”（简称亚广联）于 2001 年发出倡导，在亚洲及太平洋地区举行一年一度的亚太地区大学生机器人大赛，并 决定在2002年 8月 31日在日本东京举行首届亚太地区大学生机器人大赛。 中央电视台作为亚广联成员之一，从 2002 年开始在国内举行一年一度的全国大学生机器人电视大赛。其宗旨是： (1) 贯彻中央 科教兴国 战略方针的具体体现和创新举措，是以 媒体促科技 宣传方针的进一步尝试； (2) 为大学生们提供了一个探索科技、创新思维与实践行动的机会； (3) 为激发青少年开发与研制高科技的兴趣与爱好，培养科学创新精神，激励创新思维，活跃校园科技，培养未来科技人才和力量，提供了舞台。同时在全国大赛中选拔队伍代表中国 参加亚广联亚太地区大学生机器人大赛。 中央电视台的机器人大赛在国内已成功举办了四届，各级领导都给予了足够的重视。国家科技部、国家教育部、中国科学院、中国科协、国家计划机器人技术主题都非常支持机器人大赛，在各级领导的关怀和支持下，中国大学生机器人比赛正在茁壮成长，中国机器人代表队出征亚太机器人大赛也取得了优异的成绩： 第四届亚太大学生机器人大赛在中国北京举行，大赛主题为“登长城、点圣火”。本设计 的目的 就是 为 本次比赛 设计参赛机器人， 其机构和功能是按照本次比赛规则，为了完成比赛任务而设计的。 作为我校参赛机器 人团队计划得一部份，本设计主要是负责手动机器人控制部分的设计和制作。 手动投球机器人控制系统设计 4 1.4 机器人大赛的主题和规则 登长城，点圣火 长城是中国也是世界上修建时间最长、工程量最大的一项古代防御工程。它既是具有丰富文化内涵的文化遗产，又是独具特色的自然景观。国内外游人常以 “ 不到长城非好汉 ” 的诗句来表达一定要亲自登上长城饱览中华悠久文明和壮丽山河的心情。让我们登上长城的烽火台，点燃圣火吧。本届大赛的意图是通过手动和自动机器人协作，登长城并向 5个火炬和 4堆篝火添加燃料得分，比赛时间为 3分钟。 1 比赛场地 图 1.4-1 场地 比赛场地为 14000mm14000mm 的正方形区域。 手动投球机器人控制系统设计 5 赛场地面用 2mm厚的聚乙烯片铺设。聚乙烯片将用无光泽的聚乙烯带连接。 比赛场地周围有 100mm高 30mm厚的木质围栏。 比赛场地由 “ 手动区 ” 、 “ 篝火区 ” 和 “ 自动区 ” （包括烽火台）组成。每个区域的细节参见所附的赛场布局图。 自动区 a. 范围： 9000mm9000mm 的方形区域。 b. 四周有 100mm 高、 30mm厚的木质围栏。 c. 只有自动机器人可在自动区运行。自动 区贴有 30mm 宽的白色引导线。 d. 每个队的自动机器人启动区大小为 1000mm1000mm ，位于自动区边上，两队的启动区相对配置。 e. 自动区正中有一个八边形烽火台，高度 100mm，它的四条边长为2000mm，另四条边长为 1414 mm。在两条 2000mm 的边与自动区地面之间有坡度为 1/5的斜面。 f. 自动区中有 5个火炬。高度为 1800mm 的主火炬位于场地正中。另 4个高度为 1500mm的外围火炬在它的四周。 图 1.4-2 主火炬 g. 火炬为上大下小的透明开口圆桶，装在火炬柱 上。主火炬用红、蓝、绿手动投球机器人控制系统设计 6 色的隔板均分为三部分，每一部分是一个燃料筒。每个外围火炬用红、蓝色隔板均分为两个燃料筒。主火炬在受外力作用时可绕火炬柱旋转。外围火炬不能旋转。 h. 自动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图。 篝火区 四个直径为 1200mm 的篝火区位于自动区的四角。 篝火区中央有直径600mm、高 100mm 的燃料盘，盘边宽 50mm，盘深 30mm。燃料盘与地面以 350mm宽的斜面相连。篝火区的细节参见所附的场地布局平面图。 手动区 a. 手动区在自动区和篝火区周 围。 b. 手动区左、右两边相对配置两队的球库。每个球库可放 16 个燃料球。 c. 手动机器人启动区是 1000mm1000mm 的方形区域，位于手动区上、下两边的正中。两队的启动区相对配置。 d. 手动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图。 2 参赛队成员 每个参赛队由来自同一所大学或工学院的 4名成员组成， 3名学生和 l名指导老师。只有 3名学生可以进入赛场。 参赛队成员在参加比赛时必须是在大学 /工学院注册的。 研究生没有参赛资格。 3 机器人 每个参赛队必须设计和制作手动机器人或自动机器人，也可以同时制作手动机器人和自动机器人，对机器人的数量没有限制，但每队只允许有一台手动机器人。 手动机器人 a. 手动机器人必须通过电缆连接的遥控器或红外、可见光、声波遥控器操作。不允许用射频。操作者不能骑在机器人上。 b. 通过电缆操作时，电缆在机器人上的连接点至少应高出地面1000mm，同时，从手动机器人到控制盒的电缆长度不能超过 3000mm。 手动投球机器人控制系统设计 7 c. 比赛一旦开始，参赛队员不能接触手动机器人。 自动机器人 a. 自 动机器人必须是自主的。 b. 由一台自动机器人分离出来的每一件物品均被认为是另一台自动机器人，所以，它必须能像自动机器人一样工作。 c. 比赛开始前，每个队的所有自动机器人总共可预装 16个燃料球。 d. 每台自动机器人必须一次操作启动。 e. 自动机器人可以进入除篝火区以外的任何区域，但不能伸到篝火区上方。 f. 比赛开始后，所有自动机器人可以逐个启动，但启动动作必须在 20秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。在规定时间内没有启动的自动机器人将被留在启动 区内。 g. 一旦机器人启动，参赛队员不能接触机器人。 h. 自动机器人不允许以任何方式相互通信。 控制方法 a. 每队只有一个操作者可以在赛场上操纵手动机器人。 b. 对于自动机器人，每场比赛每队允许一次 “ 重试 ” 。某队叫 “ 重试 ” 且裁判允许后，该队的所有队员均可在启动区重新设置和启动本队的任何自动机器人。但是，所有 “ 重试 ” 的动作必须在 20 秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。只有在启动自动机器人和一次 “ 重试 ” 时，自动机器人的操作者才能进入赛场。 能源 a. 比赛期间各队应为自己的所有机器人准备能源。 b. 机器人的电源电压必须低于 24VDC。 c. 不允许使用组委会认为危险和不适当的能源。 重量 a. 每个队上场的所有机器人的总重不得超过 50kg。 b. 总重包括能源、电缆、遥控器和机器人其它部件的重量。 尺寸 a. 自动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm1000mm1500mm手动投球机器人控制系统设计 8 的范围內。 b. 自动机器人离开启动区后可以分离，尺寸可以自由改变，但高度不能超过 2000mm。 c. 手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm1000mm1500mm的范围內。 d. 离开启动区后，手动机器人的尺寸可以自由改变，但高度必须在1500mm以内，且不能分离。 4 物品（燃料球） 燃料球为直径 150mm、重量约 150g 的胶质小篮球。 球内的气压是要控制的，使它的弹性较差。球从 1m 高处落下时的反弹高度不应超过 150mm50mm 。 两队分别使用红色和蓝色的球。在任何情况下不能使用对方的燃料球。 5 比赛 赛制 初赛为小组单循环赛， 1/8、 1/4复赛、半决赛、决赛为淘汰赛。 比赛持续时间 a. 比赛将持续 3分钟。但是，如果某队 在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球， 在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球， 并且，在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球， 该队即实现 “ 登上长城 ” ，比赛将立即结束。 b. 机器人的设置必须在接到设置命令 l分钟之内完成。 记分 a. 比赛结束时记分。 b. 能留在火炬燃料筒或篝火燃料盘内的燃料球（燃料球不得与机器人接触）可以记分。记分规则如下： * 主火炬燃料筒中的一个燃料球记 5 分。 * 外围炬燃料筒中的一个燃料球记 1 分。 手动投球机器人控制系统设计 9 * 燃料盘中的一个燃料球记 1分。 c. 主火炬的燃料筒必须由登上烽火台的自动机器人添加燃料球。 . d. 在绿色燃料筒和篝火燃料盘中，两队的燃料球分别记分。 e. 如果某队将自己的燃料球投入对方的燃料筒，判对方得分。 确定获胜者 比赛的优胜者将根据下列情况确定。 a. “ 登上长城 ” 的 队赢得比赛。 b. 在两队均未 “ 登上长城 ” 的情况下，将所有得分相加扣除犯规分，得分多的队获胜。 c. 如果出现平局，比赛的获胜者将按以下顺序来决定。 在主火炬的自己的燃料筒和绿色燃料筒中均添加了燃料的队获胜。 在所有火炬中得分多的队获胜。 如果按上述顺序仍不能选定优胜者，将由裁判确定。 6 犯规及扣分 下述动作被视为犯规并每次扣除 1 分。如某队被扣除了 3 分，该队将被取消资格。 手动机器人及其操作者接触手动区以外、自动区或篝火区的地面。 手动机器人将自己的部件伸入自动区或篝火区上方。 手动机器人接触本队的自动机器人。 如果上述 、 、 的犯规持续，每 5秒钟将扣 1分。 自动机器人试图向燃料盘添加燃料或有意完成某些动作时将自己的部件伸入篝火区上方 . 自动机器人或手动机器人拣拾或使用对方的燃料球，或手动机器人的操作员有意接触对方的燃料球。 7 取消比赛资格 参赛队的下列行为会被裁判认定不合格，该队会被取消比赛资格。 企图损坏比赛场地、设施（包括燃料库中的燃料球）或对方的机器人。 手动机器人在任何区域内接触对方的自动机器人。 做出任何有悖公平竞争精神的动作。 手动投球机器人控制系统设计 10 8 安全 制成的所有机器人均不能对操作者、观众和裁判造成伤害。 为了保证安全，如果使用激光束，必须低于 2级激光，并以不伤害任何操作者、裁判和观众的方式使用。 9 机器人制作和运输费用 制作费用 组委会给每个参赛大学提供人民币一万元作为机器人制作补助费。 运输费用 a. 由组委会指定的运输公司负责运输机器人，具体细节将今后通知。 b. 机器人必须包 装，使之可放入一个尺寸为 1500mm1500mm1500mm的板条箱内。 10 其它 对于本规则没有规定的行为，裁判有权做出裁决。在有争议的情况下，裁判的裁决是最终裁决。 对规则的任何修改将由大赛组委会发布。 鼓励所有参赛队以其大学的标识装饰自己的机器人。 只允许自制的机器人参赛。 11 奖励 奖项有冠军奖、亚军奖、季军奖（并列），还有最佳技术奖、最佳创意奖、最佳设计奖、最佳策略奖、最佳风格奖各一名。组委会鼓励观众参与评出观众最喜爱奖。 12 机器人设计与制作的注意事项 以下是制作机器人时应注意的几个问题。在任何情况下，都要充分注意避免危险。 每个参赛队应避免机器人损坏比赛场地和设施， 作为大赛规则的正式补充资料，组委会将发布 FAQ（常见问题）。 要求每个参赛大学准备一个 5分钟的录像带，说明参赛队机器人的结构和运动。机器人启运前，组委会将通过录像带检查每个参赛的机器人是否符合规则。 附件 手动投球机器人控制系统设计 11 关于材料的简要说明 1 主火炬及外围火炬 a. 所有火炬，包括隔板，均用 3mm厚的无色聚苯乙烯板 制作。 b. 聚苯乙烯板的接缝处用强力胶粘合。 c. 根据需要，聚苯乙烯板贴红、蓝或绿色不干胶纸。 2 火炬柱 a. 所有火炬柱均用钢或铝材制作。 b. 提供了一套火炬柱的参考设计图。各参赛队构建练习场地时，可自行设计火炬柱，只要主火炬柱能绕自己的轴自由地被动旋转即可。 手动投球机器人控制系统设计 12 2.总体方案分析与策略 2.1 整体设计思想 由于本次机器人大赛是采用两参赛队对抗的方式，因此要求双方机器人无论是机器人的方案设计、选材、制作质量 、机器人本身的重量控制方面，还是在比赛过程中，机器人运动的路线、定位的选择，这些相关的因素考虑都是非常关键的，直接关系到在比赛过程中能否战胜对手，取得对抗赛的胜利。 要想取得比赛的胜利，参加比赛的机器人必须在以下几个方面达到要求： (1)功能强大 为了能完成比赛规定的动作，必须具备高效、可靠的动作机构。 (2)信息处理能力强 作为场上机器人，特别是自动机器人，需要按照一定的路线行进，对环境位置信息进行处理和判断，以便完成既定任务。 (3)速度快 速度是抢占场上优势最重要的手段。 (4)坚固稳定 机器人在场上很可能与对方机器人相撞，因此坚固的机身是获得胜利的基础，并且设计上也要考虑防止机器人倾覆的措施。 (5)可靠性高 由于是电视大赛，比赛场上的情况十分复杂，各种灯光和无线电信号会干扰机器人的传感器，而比赛双方使用的大功率电机也是很大的干扰源，对机器人的单片机是很大的考验。因此电路部分的可靠性十分重要。 (6)性价比高 由于是各学校提供资金制作机器人，因此资金非常有限。如何在现有的条件下尽可能制作出高水平的机器人，是我们需要考虑的一个重要因素。 手动投球机器人控制系统设计 13 2.2 规则要点分析 本届 ABU ROBOCON 比赛规则延续了往界比赛规则的许多要素。其中之一就是，赛场中心的得分点是整个比赛的焦点。中心得分点的分值明显高于其他得分点，并且由于 ROBOCON 比赛从来都不光以得分多少来决定胜负，而是加入了一种能够让参赛某一方立即获胜并结束比赛的机制，例如本届比赛的这种机制叫做“点燃圣火”，完成“点燃圣火”必须满足以下全部条件： 在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球， 在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球， 并且，在四个篝火 燃料盘中至少各有一个自己的燃料球 。 由此可见，比赛双方无论其目的是多得分还是争取“点燃圣火”，都必须竭尽全力抢占在中心火炬的主动。 图 2.2-1 点燃圣火条件 手动投球机器人控制系统设计 14 根据比赛规则，手动机器人可以和自动机器人同时上场比赛，而每队最多只能有一个手动机器人，自动机器人的数量不限制，但每队所有场上机器人的总重量不能超过 50 公斤。由此可见，自动机器人和手动机器人的合理搭配和战术上的互相配必然会对比赛结果产生至关重要的影响。 2.3“点燃圣火”战术 回顾历届 ABU ROBOCON 比赛，获胜的各支强队大都是以 立即获胜结束比赛为目标（第一届叫做“登顶”，第二届叫“征服太空”，第三届叫“鹊桥相会”）。这通常是最能体现比赛意图，能够完成所有既定动作并彻底击败竞争对手的方法，但同时意味着，这也是最困难的方法。 图 2.3-1 第一，必须保证在中心得分点取得主动权，这是首要问题，因为无论对方的目标是“点燃圣火”还是多得分，都必然会向中心得分点发动全力的进攻。双方在主火炬必然会发生非常激烈的对抗，要么拼速度，要么拼力量。这样就使得我方进攻主火炬的力量丝毫不能松懈。 手动投球机器人控制系统设计 15 图 2.3-2 副火炬路线 第二，要 在某一对 角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球， 这个动作通常不能由进攻中心得分点的机器人来完成（首先速度上就无法保证），这样一来，就必须由另外的一个或两个甚至更多的机器人来完成向副火炬投燃料球的任务。增加机器人的数量首先会增加场上机器人的总重量，而按照规则，所有场上机器人的总重量不得超过 50KG。其次，自动机器人的出发区只有 1000mm1000mm1500mm ，规则规定自动机器人在出发之前不得超过这个范围。让多个机器人集中在这样一个区域，并且不影响各自的形状、尺寸和功能，这是十分有难度的。而且 如果对方也试图在对角线副火炬得分，那么双方副火炬机器人的路线有可能会重叠，既而有可能发生碰撞或者其他形式的互相干扰，这样就增大了比赛的不确定性。还有一个重要的问题就是，制作机器人的数量增多，会直接导致整体制作成本的提高，而成本是我们完成整个比赛非常大的一个限制因素。 第三，要 在四个篝火燃料盘中至少各 放 一个自己的燃料球 ，这个条件也比手动投球机器人控制系统设计 16 较困难。首先篝火盘的形状比较特殊，像一个浅底的盘子，在将燃料球放到篝火盘上的时候，如果燃料球有一定的横向速度，那么它就很容易滚出去。最好的办法就是将燃料球送到篝火盘上方，使其垂直落 下。虽然篝火盘的位置在手动区之中，但规则规定手动机器人不得将任何部件伸到篝火盘上方，显然手动机器人无法让燃料球垂直落入篝火盘中。如果用额外的自动机器人来向篝火盘投球，无疑又会增加自动机器人组合的负担。另外，由于篝火盘的特殊形状，使得燃料球在里面很难稳定停留，对方很容易用一些非接触的手段将其逐出。手动机器人又不能故意阻挡对方动作，而且四个篝火盘分别位于场地四角，不可能同时兼顾。 图 2.3-3 篝火盘 由上述讨论可知， “点燃圣火” 的难度非常大，特别是当双方手动机器人都有很强的破坏能力时，几乎是不可能完成的 。 2.4 防守反击战术 前面已经讨论过，既然中心火炬是重中之重，那么谁先抢占中心火炬，谁就最有可能占据领先优势。如果目标是“点燃圣火”，那么进攻中心火炬的机器人最少携带 2 个燃料球就可以完成任务（一个放进绿色燃料筐，一个放进己方颜色燃料筐）；如果目标是多得分，那么进攻中心火炬的机器人就需要携带 6 到手动投球机器人控制系统设计 17 8 个燃料球（根据燃料筐的容积和燃料球的体积，每个颜色的燃料筐最多能放 3到 4 个燃料球）。这样以来，主机器人的体积和重量都必然会增加，严重影响机器人行走和做动作的速度，对动作的准确性和可靠性也有一定影响。 图 2.4-1 鱼竿阻挡 解决这个问题的办法就是，主机器人不携带燃料球，而是以最快的速度占领中心火炬，用某种干扰手段把中心火炬所有的燃料筐封住，自己暂时不投球，同时也阻止对方投球。在中心战场情况稳定之后，另外一台自动机器人携带燃料球以较慢的速度向中心火炬投球。 采用这种战术的优点是初期进攻中心火炬时可以得到最快的速度，有利于占据场上主动，但缺点也很明显，就是难度很大。因为己方先后进攻中心火炬的两个机器人之间需要有非常完美的配合。由于比赛规则规定，场上自动机器人之间不允许进行数据通讯，因此要想让两台机 器人相互配合，就需要在结构设计和传感器设计方面达到相当高的水准。还有一点就是，如果双方在进攻中心火炬的速度上势均力敌，那么极有可能发生碰撞，进而有可能造成机器人的损坏（机器人接触主火炬的部分通常是长臂的末端，重量小，坚固性较差）。一但主机器人损坏，就可能无法与副机器人进行事先约定的配合，导致己方在中心火炬完全丧失得分能力。 主机器人 主火炬 手动投球机器人控制系统设计 18 2.5 全攻全守战术 全面进攻：放弃四个副火炬，集中自动区的全部力量进攻主火炬。把几个机器人的体积和重量都集中给一个主机器人，使其具备完善的功能和坚固稳定的机身。目的是尽量快速 抢占中心火炬，即使对方占据速度优势，我方仍然能够用自身的动作来破坏对方的阻挡，向中心火炬中投放燃料球。 全面防守：自动机器人得分后可以做出阻拦动作，阻止对方得分。此时手动机器人 在手动区活动，主要任务就是破坏对方在篝火盘的得分，以防对方“点燃圣火”。同时在条件允许的情况下，伺机向副火炬和篝火盘中投球，争取更多得分。这样一来双方就只能通过得分多少来决定胜负。而中心火炬与副火炬及篝火盘之间的分值差距很大，比赛结果基本上就取决于中心火炬的得分情况。 由于我们学校此次是第一次组队参加这个比赛，综合实 力和经验都不占优势。综合分析上述几种战术，实现“点燃圣火”和防守反击战术都需要相当高层次的技术实力和经济实力，以及对整个比赛规则的透彻理解和对场上比赛复杂形势的准确把握。而我方首次参赛，各方面实力特别是对比赛规则的理解，和传统强队都有很大差距。而全攻全守相对来说是一种相对比较单纯的战术，虽然有孤注一掷的危险，但我们认为，在敌强我弱的情况下采取这种集中优势兵力打歼灭战的做法，不失为一个好选择。 手动投球机器人控制系统设计 19 3.手动投球机器人整体方 案设计 3.1 总体设计思想 经过前面的战术讨论， 我们确定了全攻全守的战术思想。在这个前提下，手动机器人的首要任务就是破坏对方在篝火盘的得分，同时 兼顾向副火炬和篝火盘 投球的能力。这就需要手动机器人有很强的破坏能力。另外，由于比赛开始之前手动机器人不能预装燃料球，所以手动机器人必须具备在手动区捡拾并储存燃料球的能力。 比赛规则对手动机器人做了如下要求： 每队只允许有一台手动机器人。 每队只有一个操作者可以在赛场上操纵手动机器人。 手动机器人必须通过电缆连接的遥控器或红外、可见光、声波遥控器操作。不允许用射频。操作者不能骑在机器人上。 通过 电缆操作时，电缆在机器人上的连接点至少应高出地面 1000mm，同时，从手动机器人到控制盒的电缆长度不能超过 3000mm。 比赛一旦开始，参赛队员不能接触手动机器人。 手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区 1000mm1000mm1500mm 的范围內。 离开启动区后，手动机器人的尺寸可以自由改变，但高度必须在 1500mm以内，且不能分离。 我们的设计方案是采用四轮机构，前轮定向从动，后轮用一台直流电动机通过差速器驱动。行走方向控制通过舵机改变驱动轮方向实现。吃球结构采用橡胶传 送带形式，通过传送带与地面共同挤压燃料球，向球施加摩擦力，将球吃进球舱。球舱与机器人框架融为一体。投球机构采用气缸驱动，以压缩空气瓶为气源。通过改变气缸运动速度改变发射轨迹，破坏和得分能力兼具，一机多用。 手动投球机器人控制系统设计 20 机器人高 333mm，宽 592mm，长 923mm， 总重约 23KG 行进速度为 0.21.5m/s 投球距离 25m 吃球数量 68个 图 3.1-1 手动机器人整体 手动投球机器人控制系统设计 21 3 2 底盘及行驶机构的设计 通过分析以前的比赛，我们发现大多数手动机器人的驱动布局方案都是这样的：采 用两台电动机，分别驱动机器人后方的两个主动轮，而前方安装一个或两个万向轮作从动轮。这种方案的优点是转向控制方便。没有复杂的转向机构，通过分别控制两个电机的正反转就能使机器人转向，无论从结构上还是电路控制上都比较简单。 图 3.2-1 双电机驱动布局 但是这种方案有一个缺点，那就是很难让机器人在原地绕某一点精确地旋转。而只有做到能够精确旋转，才能让机器人的定向发射机构进行精确瞄准（用来破坏对方篝火盘的得分）。 于是我们设计了另一种方案：在车体后部安装一个可以控制转向的主动轮，由一台舵机控制它的转 向，一台电动机控制其正反转。 手动投球机器人控制系统设计 22 图 3.2-2 主动轮转向方案 当主动轮转动方向与车身方向垂直时，车身就会以 O 点为圆心旋转，箭头所示就是车体的瞄准方向。通过微调主动轮前后旋转，可以比较容易地实现车体的俄精确瞄准。 但我们最终没有采用这种方案，而是在前面方案的基础上增加一个差速器和一个主动轮，形成双可控转向驱动轮 +双定向从动轮的布局。 图 3.2-4 双主动轮加差速器方案 手动投球机器人控制系统设计 23 差速器 通常 是汽车驱动轿的主件，最早由法国雷诺汽车公司的创始人路易斯雷诺发明，它的 作用就是在向两个半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。 一般汽车置于前部的发动机，通过传动轴将动力传至后轮两轴联接处的后桥，然后通过后桥中的差速器分流给两个后轮，从而带动汽车运动。两前轮只起改变方向作用（通过司机转动驾驶盘实现）。 对驾驶汽车的基本要求是，当汽车直线行驶时，两对前后轮均在平行平面内，且应保证两后轮的转速一致；当汽车转弯时，首先使两前轮转向，根据转向的大小，确定了转弯中心点的位置。显然，为保证两后轮相对地面仍作纯 滚动，要求两后轮的转速不同，右后轮的转速应大于左后轮的转速。 图 3.2-5 差速器原理图 差速器就能实现使两后轮转速有时相等、有时不等的要求。如图所示差速器是由圆锥齿轮组成的差动轮系，与传动轴相联的圆锥齿轮 1 带动 实际起系杆作用的圆锥齿轮 2，然后通过行星轮 4 分别带动与两后轮相联的中心轮 3、 5 转动。对于该差动轮系而言，齿轮 2（也即系杆 H）为输入运动构件，齿轮 3、 5为两输出运动构件。 当汽车直线行进时： 在差动轮系中 手动投球机器人控制系统设计 24 故 （ 3.2-1） 由于汽车直线行驶，地面对两后轮的约束作用相同，所滚动的路程相同，所以轮 3、 5的转速相等，即 n3=n5，代入式（ 3.2-1）可得 n3=n5=nH=n2 。这表明齿轮 3、 5同系杆 H之间没有相对运动，整个差动轮系相当于同齿轮 2固联在一起，随齿轮 2一起转动，此时行星轮 4相对系杆没有自转，如图所示。 当汽车转弯时： 差速器能自动适应在不同转弯半径下两后轮的不同转速要求。如图 6.3.3-2所示，设两后轮中心距为 2L，转弯平均半径为 r，此时地面阻力将迫使两后轮的转速比按两轮的转弯半径之比分配，即 （ 3.2-2） 此式即为 地面给两后轮的附加约束条件。联立式（ 3.2-1）和式（ 3.2-2）即可得到两后轮的转速分别为 由上式可知，左右车轮的转数随转弯半径变化，没有打滑。 我们选择这种方案主要基于以下几个原因：一是四轮布局要比三轮布局稳定性高；二是如果主动轮只有一个，那么当主动轮原地旋转向时，其与地面接触的部分是滑动摩擦，阻力比较大，且运动不平稳。我们使用舵机来控制主动轮的转向，因此驱动阻力是个值得考虑的问题。如果采用双主动轮 +差速器的方案，那么主动轮原地转向时，两个主动 轮就是饶舵机主轴旋转，与地面之间是滚动摩擦，阻力较小，运动平稳；三是根据当时的实际情况，我们手上刚好有手动投球机器人控制系统设计 25 一套模型赛车套件可供拆卸，其中就有整套的小型差速器、车架、半轴和充气车轮，全部可以直接使用。否则差速器的价格、体积和重量都不适合我们的机器人。 3.3 吃球部分设计 对吃球机构的要求是，能够在较短的时间内尽可能地将燃料球拾取到机器人内的指定位置。另外如果燃料球散落到手动区的各个角落，手动机器人应该有足够的灵活性来拾取这些燃料球。手动机器人的燃料球发射机构通常距离地面有一定距离，所以还需要特定机构将 燃料球提升到指定高度。 我们的设计方案是将拾取机构和提升机构和为一体。 图 3.3-1 吃球路径 如图所示，吃球模块是由电机带动的胶皮传送带，与地面的距离略微小于燃料球的直径，因此能够利用传送带和地面夹紧燃料球，同时将其沿内舌板与吃球模块组成的通道输送到球舱，球舱里的球在重力的作用下落入传送槽，在此由横向传送带送入发射位置。 手动投球机器人控制系统设计 26 图 3.3-2 吃球机构结构图 吃球模块实际上是一个三角形的传送带系统，有一条传送带，四个滚筒，其中一个是由电动机带动的动力滚筒，其余三个是从动滚筒，分 别起到支撑和预紧的作用。 图 3.3-3 送球机构示意图 电动机 预紧弹簧 手动投球机器人控制系统设计 27 横向传送带是一个由电动机带动的简单直线传送带装置，主要负责把人料球送到发射位置。 3.4 投球部分设计 由手动机器人的任务所决定，投球部分破坏部分是手动机器人的关键。投球能力和破坏能力的高低能够反映出手动机器人的核心战斗力。 按照前面讨论过的战术方案，我方手动机器人的首要任务是破坏对方在篝火盘的得分。按照比赛规则，手动机器人相互之间不能主动碰撞，也不能故意阻挡对方机器人的动作，所以在对方投球之前无法对对方进行干扰，只能在对方投球 之后，采用某种手段将对方的燃料球驱逐出篝火盘。 规则还规定，手动机器人的任何部件都不能进入篝火盘上方的区域，这就意味着如果对方已经把球放入篝火盘中，我方就只能采用某种非接触的方法将球驱逐出篝火盘。经过初步讨论，我们设计了几种备选方案。 一是用风扇。用直流电动机带动风扇高速转动，将风扇靠近对方的燃料球，用高速气流将燃料球吹离篝火盘。 图 3.4-1 风扇方案 二是用压缩空气。手动机器人携带一个储满高压空气的气瓶，在机器人的特定位置引出一个喷嘴，用电磁阀控制气路的开关。将喷嘴对准对方的燃料球，利用喷射出高压气 体将球逐出篝火盘。 手动投球机器人控制系统设计 28 图 3.4-2 吹气方案 但是这两种方法都有缺点，那就是作用距离近，而且击球的力量也比较小。于是我们设计了另一种方案：利用气缸作为动力元件，制作一个弹射机构，将己方手动机器人已经拾取的燃料球抛射出去，撞击篝火盘中对方的燃料球。这种方案使用己方的燃料球来撞击对方燃料球，并没有违反关于手动机器人不得接触对方燃料球的规则。 图 3.4-3 弹射机构示意图 经过我们的试验，这种方法十分有效。燃料球的弹射距离非常远，能达到 3米以上，撞击力量也很大，能够将篝火盘中的多个燃料球一次全部击出。配 合手动机器人上安装的可见红外激光瞄准器，射击精度也非常高。 手动投球机器人控制系统设计 29 图 3.4-4 射球动作示意图 这个方案的另一个优点就是，稍加改进就能让此破坏装置兼具向副火炬投球得分的功能。改进的方法就是改变发射托盘的角度，使燃料球在发射的瞬间得到一个向上的分力，从而增大了发射弹道的角度，弹道也更加弯曲，燃料球可以射进较高的副火炬。 改变发射托盘角度的动作由安装在发射架上的一个小型气缸和一套平行四杆机构来完成。因为燃料球的重量比较小，并不需要气缸有很大的推力，所以小型气缸就可以完成动作。另一方面，小型气缸的自身重量也很小 ，不会对整个发射架的工作产生太大影响。 手动投球机器人控制系统设计 30 图 3.4-5 射低球 图 3.4-6 射高球 由于规则要求手动机器人不能进入篝火盘上方的区域，向篝火盘投掷燃料球就比较困难。比较好的一种方案就是，设计一条角度固定的滑道，让燃料球沿滑道滚下，这时燃料球在滑道的方向拥有一定的速度。随后燃料球滚出手动机器人，沿滑道方向继续下落并撞击地面，落地后又向前弹起。由于此时燃料球的动能已经被撞击消耗掉一大部分，因此当它再次落下，落入篝火盘中会比较容易停止，留在篝火盘中。 虽然 可以向篝火盘投掷燃料球，但我们最终决定放弃这个机构，因为在篝手动投球机器人控制系统设计 31 火盘的得分太容易被破坏，而在得分值上与副火炬相比并无优势。而副火炬的得分是不可能被破坏的。因此我们觉得向篝火盘投球的机构对整个比赛来说作用不大。而且将我们的破坏发射机构进行调整后（将发射速度减小）也能向篝火盘投球，虽然成功的概率比较小，但也能以防万一。 图 3.4-7 滑道落球方案 手动投球机器人控制系统设计 32 4.机器人气动回路设计 4.1 总体设计 按照已经确定的整体设计方案，手动机器人的核心功能之一就是投篮、射球机构，而这一 机构的动力元件我们选择使用气缸，并用电磁阀加以控制。 同等功率下， 相对于电器装置，气压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑，控制比较方便，容易与电子控制系统相结合，适合自动化程度高的场合。这些特性十分符合对比赛机器人的要求。气动元件的另一个十分重要的优点就是实现直线运动很方便，而且速度也比较快。缺点是运动元件的运动位置不能精确控制，通常只能进行满行程运动。但这个问题可以从机构设计方面进行弥补。相对于气动系统而言，液压系统就能够比较精确地控制运动位置，但液压系统成本太高，而且重量体积都比较大，还要考虑渗 漏等维护问题，因此并不适合比赛机器人使用。 按照设计方案要求，需要对一个大气缸和一个小气缸分别进行控制，使其能够按照一定的速度伸出和缩回。同时最好能够调节大气缸的运动速度，以便能够更灵活地调整射击角度。 气源方面，使用一个压缩空气钢瓶作为主要气源。比赛规则规定，每场比赛时间最多为 3 分钟，因此用钢瓶储存一定数量的压缩空气作为气源，基本可以满足比赛要求。但为了保险起见，在重量允许的情况下，还应加装一台小型电动充气泵，对钢瓶内的压缩空气进行实时补充。 手动投球机器人控制系统设计 33 4.2 控制回路设 计 经过研究决定两个 气缸分别用两个二位五通电磁阀控制。为了调节气缸运动速度，使用节流调速回路，在两个电磁阀的出气口分别安装节流阀。节流阀的流量需要经过实验反复调节，观察整个机构的运动速度，达到要求之后用螺纹扣件锁死。 图 4.2-1 小气缸回路 图中 G2 为气缸， F2 为二位五通电磁阀， J2 和 J6 分别为电磁阀两种状态下的出气节流阀。在正常情况下电磁阀电源断开，高压气体从气缸前端进入，气缸处于缩回状态并保持不动。当发射命令产生，电磁阀电源接通，高压气体从气缸末端进入，气缸前端气体经节流阀调速后排出，使气缸按照一定速度伸出，从而驱动射 球机构将球射出（或将发射托盘角度升高）。 手动投球机器人控制系统设计 34 4.3 射击角度调整模块 大气缸是燃料球投射机构的主要运动部件，调整它的运动速度就可以改变射球力度和射球弹道轨迹。要想在赛场上根据情况灵活地改变射球距离和力度，就要为大气缸设计一套可控的调速模块。 图 4.3-1 大气缸回路 我们采用的方法是在控制大气缸的主电磁阀 F1 的出气口并联三个二位三通电磁阀 F3、 F4、 F5，再每个二位三通电磁阀的出气口上接一个节流阀（ J3、J4、 J5）。三个节流阀的流量经过试验后设定为三个不同的值，即三种不同的运动速度。这样如果 主电磁阀和三个二位三通电磁阀中的任意一个同时通电，那么大气缸就会获得事先设定好的这一运动速度。 手动投球机器人控制系统设计 35 4.4 电磁阀的控制 由于此回路比较简单，不需要作过多的逻辑判断，所以控制部分可以绕过PLC，用遥控器上的开关直接控制电磁阀。 F3、 F4、 F5 三个电磁阀可以正好可以作为 F1 的保险。在开启 F3、 F4、 F5 其中任意一个之后，再开启 F1，大气缸才能进行动作。将这几个电磁阀的控制分别分配给遥控器操纵杆上的按钮控制，如图所示，形成了右手食指和拇指的配合操作，手感非常好。 图 4.4-1 操纵杆按键布置 整个气动回路的总图见附录。 F3 F3、F4、F5 F4 F5 F1 手动投球机器人控制系统设计 36 5.零部件的选择 5.1 行走电动机的选择 根据实践经验和实验表明：手动机器人的速度限制在 1-2 /ms时，比较容易控制，若速度太快则会影响机器人的稳定性。为了保证车体的稳定性，通过反复的实验，得到理想的行进速度为 1.5 /ms，理想的加速度为 2 2/ms。 机器人的驱动 轮根据已从市场上买到的为准选为 150mm，前轮为 180mm。 设 S 为线速度 ( /ms),D 为驱动轮直径 (mm),n 为电机减速器的输出轴转速(r/min)，传动比为 1： 1。 根据公式： S D n 带入数据得： 1 . 5 3 . 1 4 0 . 1 5 / 6 01 9 1 / m i nnnr 电机输出的扭距应该能推动车平稳的前进和产生从静止到最高速的加速度。预计手动机器人车体的重量为 20kg，根据设计的加速度，机器人车体所受的驱动力为： 22 0 2 /40F m ak g m sN推动车前进的力 矩为： 4 0 7 53 3 0T F rN m mN m k g c m手动投球机器人控制系统设计 37 电机的功率： 2603 2 3 . 1 4 1 9 1 / m i n605 9 . 6P T wnTN m rW 市场上很多国产减速电动机的虽然价格比较便宜，但质量得不到保证。尤其是减速电机的齿轮箱，往往采用多级圆柱齿轮传动，而低速级齿轮和高速级齿轮的模数竟然相同。这样做的后果是低速级齿轮很容易磨损，产生电机空转的现象。 作为手动机器人的行走电机，需要输出比较大的扭矩，因此减速器的质量一定要有保证。我们决定采用拆件的方法，将一台二手进口无绳直流电钻的电机和减速器整体拆下，作为手动机器人的 行走电机。这台电钻的减速器是多级行星齿轮减速器，质量非常好，且有 2 档机械变速。最重要的是这种二手电钻价格便宜，也比较容易买到。 电钻的性能指标： 美国 DeWalt DW907K2 12 伏 10 毫米钻 /电起子 图 5.1-1 DeWalt DW907K2 专业马达和行星齿轮，最高扭矩可达 20 牛米 ， 2 档速度，最高转速 1200手动投球机器人控制系统设计 38 转