基于ROBOMASTER比賽工程機(jī)器人的抓彈平臺(tái)分析和研究

郭凱　胡海賓　髙程博　朱煜銘　唐亮

摘 要

RoboMaste2020全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽必備兵種工程機(jī)器人，工程機(jī)器人的抓彈平臺(tái)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定是影響戰(zhàn)隊(duì)能力的一個(gè)重要因素，設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定的抓彈平臺(tái)是工程機(jī)器人的關(guān)鍵。根據(jù)比賽規(guī)則，利用SolidWorks軟件進(jìn)行對(duì)抓彈平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真，通過keil軟件編程來控制車體和抓彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及完成變形動(dòng)作，以獲得穩(wěn)定、快速的抓彈平臺(tái)。本篇主要講述機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和思路，電氣控制的邏輯和框架以及執(zhí)行的綜合性分析。通過軟件控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)合，通過恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骱瓦壿嫿Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人完整運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞

Solidworks軟件;運(yùn)動(dòng)仿真;電氣控;邏輯分層結(jié)構(gòu);氣動(dòng)控制板;CAN總線;控制邏輯

中圖分類號(hào)： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.016

0 引言

ROBOMASTER全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽要求各個(gè)參賽隊(duì)獨(dú)立制作多個(gè)機(jī)器人參與團(tuán)隊(duì)競(jìng)技。根據(jù)比賽規(guī)則，參賽團(tuán)隊(duì)需要制作工程機(jī)器人，由工程機(jī)器人搭載一套抓彈平臺(tái)，通過穩(wěn)定而且恰當(dāng)?shù)乃惴刂七壿媮韺?shí)現(xiàn)獲取資源島上的42mm大彈丸。

1 資源島結(jié)構(gòu)分析

由于工程機(jī)器人在2020賽季中可以安裝發(fā)射機(jī)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)所有功能就要求抓彈平臺(tái)設(shè)計(jì)得盡量小、輕。資源島位于賽場(chǎng)的中心位置，高度為700mm、長(zhǎng)寬均為700mm，上表面均布有九個(gè)下沉100mm、長(zhǎng)寬均為210mm的沉孔。

資源島上的九個(gè)彈藥箱分別位于九個(gè)沉孔內(nèi)，每個(gè)彈藥箱中裝有20顆42mm彈丸，總重量約為2100克。抓彈平臺(tái)的作用是將位于沉孔內(nèi)的彈藥箱內(nèi)的彈丸搬運(yùn)到工程機(jī)器人中設(shè)置的彈倉(cāng)內(nèi)，并且將空彈藥箱拋出，讓彈藥箱不影響工程機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)團(tuán)隊(duì)需求，抓彈平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)六個(gè)彈藥箱的連續(xù)抓取，以及在抓取彈丸的同時(shí)，能夠交接彈丸的能力。因此決定：

①抓彈平臺(tái)的動(dòng)力源采用氣缸驅(qū)動(dòng)。因?yàn)闅鈩?dòng)具有檢修維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好、有正、反作用功能、整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可動(dòng)部件少，對(duì)震動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

②在抓彈平臺(tái)的活動(dòng)關(guān)節(jié)使用滑軌。為了實(shí)現(xiàn)六連抓的功能，抓彈平臺(tái)設(shè)置有向上抬升達(dá)到可以抓取彈丸的高度，向前伸，達(dá)到可以抓取第二排的彈丸的距離，向左和向右平移，達(dá)到可以抓取左右兩邊的彈丸。添加滑軌可以使活動(dòng)的關(guān)節(jié)的摩擦力減小，增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)線性和活動(dòng)精度。

③抓彈平臺(tái)中的機(jī)械爪動(dòng)力源使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)氣缸。該氣缸在0.8兆帕的氣壓下可以產(chǎn)生3N/m的扭矩，可以滿足抓取彈藥箱的動(dòng)力需求。

2 各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 升降關(guān)節(jié)

根據(jù)比賽規(guī)則，在整車尺寸不超高的情況小，同時(shí)降低整車的重心，所以抓彈平臺(tái)必須要有一段升降機(jī)構(gòu)來保證實(shí)現(xiàn)上訴要求，升降關(guān)節(jié)作為抓彈平臺(tái)的最低端必須是穩(wěn)固且輕的，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其重量的要求，在對(duì)于驅(qū)動(dòng)其升降的氣缸的選型十分重要，所以選擇在設(shè)計(jì)過程中在軟件中將每個(gè)零件都添加上對(duì)應(yīng)的材料，以至于能夠在三維圖紙中能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的重量，也便也控制整車的重量。

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)抓彈平臺(tái)能夠穩(wěn)定的上下運(yùn)動(dòng)，選擇在抓彈平臺(tái)的四個(gè)角落分別放置一個(gè)氣缸，經(jīng)過多次測(cè)試之后結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定，在升降關(guān)節(jié)的活動(dòng)機(jī)構(gòu)使用氣缸推動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定、易維修。

2.2 平移關(guān)節(jié)

要實(shí)現(xiàn)六連抓功能，就要將抓彈平臺(tái)上面搭載的機(jī)械爪移動(dòng)到需要抓取的彈藥箱前面，根據(jù)資源島上彈藥箱的布局，需要將機(jī)械爪向前平移和向左向右平移，一共有六個(gè)位置，在左上和右上的兩個(gè)位置是抓彈平臺(tái)位移最大的情況。

為滿足整個(gè)抓彈平臺(tái)重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)的總體要求，在承重結(jié)構(gòu)中選擇20mm×20mm×1.5mm的鋁方管和20mm×10mm×1mm的鋁方管相結(jié)合，在左右平移關(guān)節(jié)中使用20mm×20mm×1.5mm搭建的剛性矩形結(jié)構(gòu)，在前伸的關(guān)節(jié)中選擇20mm×10mm×1mm搭建的剛性矩形結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中利用SolidWorks軟件進(jìn)行有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)在最大位移時(shí)，最大形變小于10mm，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 機(jī)械爪關(guān)節(jié)

機(jī)械爪作為整套抓彈平臺(tái)最重要的部分，也是抓彈平臺(tái)的難點(diǎn)，機(jī)械爪需要實(shí)現(xiàn)的功能是，夾緊彈藥箱并將其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使彈藥箱中的彈丸能夠落到工程機(jī)器人所攜帶的彈倉(cāng)中。

使機(jī)械爪翻轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇的是回轉(zhuǎn)氣缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且電氣控制的調(diào)試也相對(duì)簡(jiǎn)單。機(jī)械爪的長(zhǎng)度對(duì)于翻轉(zhuǎn)的速度有很大的影響，在彈藥箱重量確定、回轉(zhuǎn)氣缸扭矩不變的情況下，機(jī)械爪越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)的力臂越長(zhǎng)，翻轉(zhuǎn)的速度越慢。在多次更改結(jié)構(gòu)的情況下把翻轉(zhuǎn)中心盡量靠近資源島，縮短翻轉(zhuǎn)中心到資源島的距離，進(jìn)而縮短力臂。

為了能夠把下沉100mm，長(zhǎng)寬高均為200mm的彈藥箱從沉孔中抽出，有三種解決辦法：

①增加機(jī)械爪長(zhǎng)度，使其能夠抓取彈藥箱的大部分，減小彈藥箱與沉孔內(nèi)壁的摩擦，能夠緩慢地將彈藥箱從沉孔中抽出。這個(gè)方法通過多次實(shí)驗(yàn)得知其最快速度也不能滿足比賽要求，而且這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械爪及其不穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)不能將彈藥箱從沉孔中抽出的情況。

②在機(jī)械爪的最前端設(shè)計(jì)一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中主要使用兩個(gè)推力球軸承，在加夾緊彈藥箱的同時(shí)能夠使彈藥箱可以被動(dòng)地旋轉(zhuǎn)，可以讓彈藥箱在離開沉孔的過程中保持彈藥箱側(cè)面與沉孔內(nèi)壁相對(duì)平行的狀態(tài)，或者與沉孔內(nèi)壁只是小范圍的接觸，產(chǎn)生的摩擦力不影響彈藥箱從沉孔抽出。

第二種方法在SolidWorks軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的過程中是可以完成從沉孔中抽出彈藥箱的動(dòng)作的。但是在用實(shí)物的實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)了不能使彈藥箱抽出沉孔的情況，這個(gè)情況主要出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)后面的階段。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中得出出現(xiàn)這樣的情況的原因?yàn)椋?/p>

①機(jī)械爪前端用于旋轉(zhuǎn)的推力球軸承受損，導(dǎo)致彈藥箱不能被動(dòng)的翻轉(zhuǎn)。

②機(jī)械爪實(shí)驗(yàn)次數(shù)過多造成的機(jī)構(gòu)損壞，其形變超過了或接近了允許的最大形變。由此得出第二種方法能夠使彈藥箱從沉孔中抽離，速度較第一種方法有很大的提升，成功率達(dá)到80%，但是也體現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)易壞、對(duì)整個(gè)機(jī)械爪損傷較大、成功率達(dá)不到比賽要求。

③在第二種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)將機(jī)械爪抬升的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將沉孔的深度減小一段距離，讓彈藥箱在翻轉(zhuǎn)的過程中減小接觸沉孔內(nèi)壁的概率，在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析時(shí)得出將機(jī)械爪抬升30mm即可達(dá)到預(yù)期的效果。

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)合電氣控制可以非常流暢的將彈藥箱從沉孔中抽離，在氣壓穩(wěn)定的情況下成功率可以達(dá)到100%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合預(yù)期要求。

3 工程機(jī)器人抓彈平臺(tái)邏輯分析

針對(duì)工程機(jī)器人的氣動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，使用氣缸完成變形運(yùn)動(dòng)，主要包括左右橫移，向前伸縮，還有抓彈運(yùn)動(dòng)，控制邏輯相對(duì)會(huì)比較清晰和簡(jiǎn)單，不涉及較難算法。簡(jiǎn)單來說，邏輯的控制部分大體可以分為三層：命令發(fā)送層、命令分類層、命令執(zhí)行層。

除此之外，氣動(dòng)板還集成了一些傳感器開關(guān)和接口，氣動(dòng)機(jī)器人與電動(dòng)的機(jī)器人不同，電動(dòng)機(jī)器人可以通過電機(jī)的返回?cái)?shù)據(jù)來確定具體達(dá)到的位置和狀態(tài)，以此來判斷運(yùn)動(dòng)的完成性和是否出現(xiàn)了錯(cuò)誤等一系列問題。但是電動(dòng)機(jī)器人要通過一些傳感器來確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4 工程機(jī)器人抓彈平臺(tái)邏輯設(shè)計(jì)

4.1 氣動(dòng)的控制邏輯

①命令發(fā)送層：此層邏輯主要在主控上面完成，主控主要起的作用為，運(yùn)行抓彈邏輯，換句話說，所有的抓彈邏輯的控制都會(huì)在主控都會(huì)在主控上面分類執(zhí)行，一箱，三箱等等。

而邏輯執(zhí)行次序也是主控掌握，因此，相應(yīng)的動(dòng)作位置執(zhí)行相應(yīng)的命令，再通過CAN總線發(fā)送到相應(yīng)的自制氣動(dòng)控制板上。

②命令分類層：命令分類的動(dòng)作完成就是通過識(shí)別總線上不同氣動(dòng)控制板的ID來進(jìn)行命令的分類。

氣動(dòng)控制的命令分類是具有重要意義的，通過分類不同ID的命令，針對(duì)不同類的動(dòng)作，使邏輯的控制更簡(jiǎn)便，代碼通用性更強(qiáng)，可移植性和可維護(hù)性更強(qiáng)。如圖是氣動(dòng)的控制邏輯。

③命令執(zhí)行層：命令執(zhí)行層的邏輯是在每個(gè)單獨(dú)的氣動(dòng)板上完成的，通過CAN通信發(fā)送的一系列氣動(dòng)板數(shù)據(jù)接收后，對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)板ID會(huì)接收對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，達(dá)到一個(gè)信息篩選的作用，然后將篩選出來有用的信息進(jìn)行處理，最后對(duì)每個(gè)電磁閥會(huì)達(dá)到一個(gè)控制的作用，進(jìn)而達(dá)到動(dòng)作的執(zhí)行目的。

4.2 傳感器的控制

氣動(dòng)控制板會(huì)集成一些傳感器接口和硬件設(shè)置來判斷車的變形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和氣缸的狀態(tài)。主要有開關(guān)量傳感器（光電開關(guān)、磁性開關(guān)）和采集模擬數(shù)據(jù)傳感器。

④開關(guān)量傳感器：通過開關(guān)量傳感器來判斷氣缸的運(yùn)動(dòng)到位與否，然后氣動(dòng)板將傳感器數(shù)據(jù)整合，最后統(tǒng)一由CAN發(fā)回主控作處理。

⑤采集數(shù)據(jù)類傳感器：此類傳感器主要有角度傳感器，線位移傳感器等等，氣動(dòng)控制板集成了ADC芯片，可以直接對(duì)所需的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)同樣通過CAN通信發(fā)回主控板。

5 總結(jié)

通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)抓彈平臺(tái)，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)誤，通過使用其自帶的分析軟件，基本可以得出我們想要的分析結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、再改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)最終可以達(dá)到比賽的標(biāo)準(zhǔn)。

工程機(jī)器人的變形運(yùn)動(dòng)部分主要依靠氣動(dòng)板數(shù)據(jù)的輸出和輸入來完成氣缸的穩(wěn)定工作。通過傳感器的數(shù)據(jù)反饋確定運(yùn)動(dòng)是否按照程序來執(zhí)行，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，傳感器數(shù)據(jù)不能對(duì)應(yīng)，則會(huì)進(jìn)入一個(gè)錯(cuò)誤函數(shù)，通過此錯(cuò)誤函數(shù)來做出相應(yīng)處理，這里我們的處理是進(jìn)行最短安全動(dòng)作的復(fù)位，然后通過操作手決定是否重新執(zhí)行該動(dòng)作。

在設(shè)計(jì)抓彈平臺(tái)的過程中，提高的不僅僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，還有發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中遇到困難要考慮周全，從根本上解決問題。

抓彈平臺(tái)中的結(jié)構(gòu)不僅僅只是用于比賽，其中很多的知識(shí)點(diǎn)可以運(yùn)用實(shí)際生活中，通過比賽來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

參考文獻(xiàn)

[1]張晶，王桂山.利用兩組線性滑軌實(shí)現(xiàn)同步升降和擺動(dòng)，機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（02）.

[2]鄭紅.直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型與承載壽命計(jì)算，價(jià)值工程，2020（02）.

[3]馬智英，路平.鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（01）.

[4]崔靜.自動(dòng)乒乓球發(fā)球機(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)的研究.中南大學(xué)，2007-06-30.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6]滿紅，梁迎春，冀勇鋼等.自動(dòng)控制原理.清華大學(xué)出版社.

[7]鐃運(yùn)濤，王進(jìn)宏.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.