工程越野對抗機器人設計與調試

楊子江 楊興明 曹彪 王昊波 劉濤 楊鵬頌

摘 要：本文設計制作了一款工程越野對抗機器人，能夠方便快捷地實現越野、對抗和物料抓取功能。在機械結構方面，選用無刷電機作為驅動裝置，動力十足；采用鉸接式轉向機構，靈活性好、適應性強，能夠應對各種復雜障礙；選用專業越野型輪胎，并采取后輪減震方式，保證了其越野性能；設計制作了二自由度機械抓手，結構簡單、實用性強、可靠性高。在控制方面，采用RC3S遙控器和R4EH-H接收機，可靠性高、抗干擾性強。針對調試過程中的問題，進行了相應的改進，使整機性能得到優化和提升。

關鍵詞：機器人 越野 鉸接式 控制 靈活性

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0098-03

Abstract：This article has designed and manufactured a project off-road combat robot， which can realize cross-country， confrontation and material grabbing functions conveniently and quickly. In the mechanical structure， the use of brushless motor as a driving device， full power； the use of articulated steering mechanism， flexibility， adaptability， able to cope with all kinds of complex obstacles； use of professional off-road tires and rear shock absorption mode， To ensure its off-road performance； design and manufacture of two degrees of freedom mechanical gripper， simple structure， practicality， high reliability. In the control， using RC3S remote control and R4EH-H receiver， high reliability， strong anti-interference. Aiming at the problems in the process of debugging， the corresponding improvements have been made so that the performance of the whole machine can be optimized and improved.

Key Words：Robots； Escape； Articulated； Control； Flexibility

機器人技術融合了機械電子工程、計算機工程、材料工程、控制工程和電氣工程等多學科的綜合技術優勢，代表著當代最新科技水平。隨著科學技術水平的提高和世界經濟的快速發展，工程機器人越來越廣泛地被應用到各行各業中，尤其是在高危、惡劣環境，枯燥、繁重的作業領域需求迫切。因而，工程機器人的開發與應用，引起了世界各國的高度重視[1-3]。本文基于模塊化設計理念，設計并制作一款工程越野對抗機器人，兼具越障、對抗和物料抓取功能。

1 整體方案設計

工程越野對抗機器人系統主要包括驅動模塊、轉向模塊、抓取模塊、控制模塊[4]。整體方案設計如圖1所示。

2 機械結構設計

2.1 機架模塊

工程越野機器人機架模塊的作用是連接并固定其他各模塊。機架采用“探索者”機械創新平臺模塊化零件制作完成，該零件符合國際零件標準，采用優質鋁合金，美觀耐用。設計以簡潔、緊湊為原則，并為各模塊安裝預留足夠的空間[5]。機架為前后分體式結構，可以極大減小機器人轉彎半徑。展開尺寸為380mm×280mm×290mm。

2.2 轉向模塊

轉向模塊是一切車型機器人不可缺少的部分，它不僅影響到車體的牽引性，更直接關系到車體的機動性及轉向靈活性。本著設計簡單、靈活的設計原則，采用鉸接式轉向方案。

鉸接式轉向模塊如圖2所示，依靠輪式底盤的前輪、前機架、工作裝置，繞與前后機架的鉸接銷做水平擺動進行轉向。此方案結構簡單、靈活性好、越障性能出眾，成本也較低[6]。相關參數見表1。

2.3 抓取模塊

機械抓手是機器人實施抓取和對抗的核心部件，一款實用高效的機械抓手會使任務變得簡單[7-8]。依據結構簡單、操作簡便的原則，采用二自由度方案。機械抓手主要由兩個標準舵機驅動，一號舵機控制開合，采用開關信號控制，開合角度在0°～180°之間。二號舵機控制抬起，能夠將抓取到的物料抬起一定高度，采用模擬信號控制，機械臂將在-5°～+45°范圍內擺動，以滿足抬起任務。

3 控制系統設計

3.1 控制模塊

3.1.1 遙控器與接收機

2.4GHz無線技術是近些年快速發展起來的一種短距離無線傳輸技術，其優點在于可滿足多臺設備同時工作互不干擾，提高了無線遙控系統的穩定性和可靠性[9]。本設計使用環境中各種信號交織，對穩定性、可靠性和抗干擾性都要求較高，故使用基于2.4GHz技術的遙控器與接收機。

（1）遙控器。

選用的RC3S遙控器，最大控制范圍可達400m，最長工作時間可達5h，抗干擾性強，適合復雜電磁環境。

（2）接收機。

選用的R4EH-H接收機是典型的高壓接收機，可支持7.4V直流電直接供電，而舵機的驅動電壓大多為6V，可直接驅動伺服舵機工作。

3.1.2 電子調速器

電子調速器是用來控制電動機的轉速和轉向。與普通的機械式調速器相比，有體積小、壽命長、效率高、輸出功率大的優點。本設計采用HOBBYWING QUICKRUN 60A電調。

圖3 機器人實物模型

3.2 驅動模塊

驅動模塊主要包括無刷電機與標準舵機。無刷電機主要為整個車體運動提供動力，標準舵機為機械抓手的抓取動作提供動力。

3.2.1 無刷電機

無刷電機由電動機主體和驅動器組成。與有刷電機相比無刷電機的轉子是永磁鋼，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機。本設計選用3650型有感無刷電動機，采用后輪驅動方式。

3.2.2 標準舵機

標準舵機是舵機的一種，其特點是不能完成整周回轉，旋轉角度只能在-90°～+90°之間，機械抓手主要由兩個標準舵機驅動，實現空間二自由度的運動。

4 機器人整機組裝與調試

4.1 整機組裝

將各模塊通過預留的接口組裝在一起構成了機器人整機，總質量1560g，結構形式見圖3。

4.2 整機調試

（1）減震問題。

初步設計為四輪獨立減震，但調試中發現，四輪獨立減震方案存在空間浪費，減震裝置與機架結合不好，高速震顫等問題。針對這些問題，同時結合本設計特點，大膽取消了前輪避震裝置，僅保留后輪避震裝置，以此保護較為重要的后半部車身上的電氣設備。經過反復調試，減震問題得到解決，整機性能也得以優化。

（2）高速難控制、低速不穩定問題。

初步設計選用無刷無感電機，調試中發現，機器人在通過障礙、對抗攻擊、搶奪物料時由于啟動與運行速度過快，造成前輪翹起，不易控制，但無刷無感的電機在低速時，由于動力輸出問題導致車體劇烈抖動。該矛盾問題總結為：高速難控制，低速不穩定。故改選無刷有感的電機，這種電機在低速時能夠保證良好的穩定狀態。同時將初步設計的輪胎改為直徑10.5cm的RC1/10全地形車胎，提高抓地能力的同時也增加了穩定性。

5 結語

依據模塊化設計理念，設計、制作并調試了一款工程越野對抗機器人，兼具越野、對抗和物料抓取功能。實踐證明，控制模塊動力強勁；轉向模塊靈活性好、適應性強；抓取模塊結構簡單、實用性強；控制模塊可靠性好、穩定性高。經過調試，解決了整機運行過程中的減震問題與高速難控制、低速不穩定問題，優化和提升了整機性能。該設計、制作、調試過程也為相關領域研究提供了很好的借鑒。

參考文獻

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