基于“鏟人”功能的相撲機器人結構設計

作者/韓田翰，沈陽市第二中學

基于“鏟人”功能的相撲機器人結構設計

作者/韓田翰，沈陽市第二中學

文章介紹了相撲機器人比賽的規則，針對常用相撲機器人在比賽中暴露的問題，從機械結構上設計“斜鏟”這一推送機構，重新設計底盤，增加傳感器數量，改良車輪設計，全面提升相撲機器人的進攻力和防御力。

相撲機器人；推送機構；鏟人

越來越多的學校都有自己的機器人社團和活動，開展各式各樣的機器人比賽。相撲機器人的比賽規則一般如下：場地為一空心圓，在場地的外側及內側都有黑色的線，參賽雙方機器人在圓環形擂臺上角逐，根據在規定時間內被推下圓環形擂臺的次數累計計分。

比賽選手們通常將相撲機器人設計成如下形式：重錘型，遇到對手加力敲打；旋轉型，用旋轉機構扳倒對手；撞擊型，大力沖向對手；轉向后面攻擊等。在比賽規則限制機器人重量和尺寸的情況下，這些機器人很難兼顧進攻的攻擊力和防御力，有的在攻擊同時先被對手推翻，有的靈活但攻擊力不足。

為解決相撲機器人的進攻力和防御力之間的矛盾，又不能超出規定的重量和尺寸，在不降低進攻力的前提下保證防御力，設計一種能前后“鏟人”的相撲機器人。

1. 方案設計

如果比賽要求機器人自動啟動，可在主板上安裝一個聲控模塊。

在機器人的前方和后方都裝上光電傳感器，機器人在場地上緩慢移動，當光電傳感器檢測到黑色線條時說明到達規定場地的邊界應“退回”，可以控制機器人不走出邊界。這部分結構未改動。

為識別對手，原來的相撲機器人在前后左右四個方向安有4個避障傳感器。在此基礎上，在四個邊角位置再增加4個避障傳感器，可以更靈活地識別對手，有效監控對手的實際位置。

當機器人發現對方時，根據避障傳感器所在位置迅速調整機器人角度，使機器人前面或后面正對對手，全速前進或后退，將對方機器人推下擂臺。在這個比賽中主要是考慮機器人的速度和重量，結合所有因素，設計方案如圖1所示，增加了具有“鏟人”功能的推送機構。

圖1 相撲機器人方案設計

2. 結構設計

改進后的相撲機器人如圖2，包括底盤、光電傳感器[1]、避障傳感器、微處理器、驅動電機和推進機構。微處理器連接一個聲控模塊，用于相撲機器人的智能啟動。

光電傳感器、避障傳感器、微處理器和驅動電機均設置在底盤上。2個光電傳感器分別安裝在底盤的前方和后方，8個避障傳感器分布在底盤的前后左右邊以及四個邊角位置。傳感器和驅動電機均連接微處理器，微處理器連接推進機構，底盤的四周設置有傾斜的斜鏟，與地面呈45度角傾斜，緊貼地面。

圖2 改進后的機器人外形

斜鏟是相撲機器人的關鍵部件，是與對方機器人頂牛時直接接觸的部件，具有整體結構穩定、抗碰撞的特點，沖擊力大，便于進攻；斜鏟能插入對手機器人底座與地面間的縫隙，使其失去重心，還能保護自身不輕易被對手翹起，防御力強。

3. 基本原理

3.1 傳動機構設計

機器人是由4個微型伺服馬達驅動，由聯軸器直接帶動車輪行走。通過試驗選用日本Namiki電機，型號22CL—3501PG，電壓12V，電流0.04A，轉速150RPM，出軸直徑4mm。依靠伺服馬達的兩個輸出轉矩作為驅動的來源，控制機器人的運動方向[2]。伺服馬達只要接受到位置指令，就會運動到指定位置。微型伺服馬達內部由小型直流馬達、變速齒輪組、反饋可調電位器以及電子控制板構成[3]，反饋可調電位器連接電子控制板，電子控制板連接微處理器，小型直流馬達連接電子控制板和變速齒輪組，變速齒輪組連接機器人的驅動輪。這部分與原來相撲機器人結構一致，只是在驅動輪上纏繞了膠皮條，膠皮條呈梅花狀纏繞，突出于驅動輪外緣面。這是為了增加驅動輪的摩擦力，從而增加驅動輪的抓地力。

3.2 車體底盤設計

相撲機器人對重量及外形尺寸都有限制要求，所以車體底盤不能過長與過重。設計底盤形狀及尺寸如圖3所示，選用1.5mm厚的鋁鎂合金材料。為了便于在底盤上安裝零部件，以及減輕本身車體的質量，在車體底盤上平均鉆出多排小孔。

圖3 底盤設計圖

3.3 推進機構設計

推進機構設計是重點改進部分，由于相撲機器人比賽的對抗性，決定了驅動電機必須有足夠大的扭矩。除此之外，還需要更強的防御與進攻能力，設計的裝配結構如圖4所示，相撲底板的零件圖如圖5所示，經詢問有關企業技術人員，建議零件材料使用Q235，焊接性能與強度都較好。

圖4 推進機構部件圖

推進機構由相同的4個相撲底板焊接為一體，保證車體的穩定性及牢固性，底板斜鏟與水平地面形成45度角。該結構的優勢是：當對手進攻我方機器人時，推進機構可以利用貼地底板的斜鏟將對手翹起，使其失去進攻能力，我方機器人可以趁勢將對手推下擂臺。同理，當我方進攻對手時，也是利用該原理將其推下擂臺。正是“斜鏟”這一獨特設計，使本機器人進攻力和防御力完美結合，多場比賽實踐證明效果奇佳。

圖5 相撲底板零件圖

3.4 車輪設計

原來的相撲機器人車輪用市面采購的現成車輪進行改造，車輪外皮是硬塑料套，硬度較高，而且與地面是點狀接觸，這樣車輪與地面的摩擦力就會減小。而相撲比賽要求機器人與地面的摩擦力越大越好，因此對車輪的改造重點就是打磨硬塑料套，用膠皮纏繞在塑料套上，這樣可以有效地增大車輪與地面的摩擦力，防止被對手機器人推出場地外。

4. 結束語

改進后的相撲機器人，在發現對手時，利用伺服電機的正反轉特性，正面和后面具有同樣的進攻力；根據8個方向的避障傳感器感應對手迅速調整進攻角度；利用特制的前后“斜鏟”將對手緊貼地面翹起使其重心失衡并推出場地外；四面的“邊鏟”外伸使機器人自身與對手保留一定距離，保護機器人不被對手破壞。機器人的戰斗力和防御力全部提升，憑借“鏟人”功能屢戰屢勝，連續獲得機器人相撲比賽冠軍。

＊ [1]李昊，郭金鵬，劉勃.四足步行機器人姿態控制方法研究[J].科技傳播.2013.21，226—227

＊ [2]石愛平,杜玉杰.高校單片機實驗教學系統的設計[J].電氣電子教學學報2010.1，84—85

韓田翰，2000年7月出生，男，沈陽市第二中學1817班學生，18屆機器人社團社長。