工程機器人技術的探究

郭凱 陳陽生 高程博 韋鑒芳 唐亮

摘要：本文探討工程機器人機械結構的設計原理和思路，電氣控制的邏輯和框架以及執行的綜合性。通過軟件控制和機械結構的結合，通過恰當的傳感器和邏輯結構實現控制機器人完整運動。

關鍵詞：Solidworks軟件;運動仿真;電氣控;邏輯分層結構

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0010-03

0 引言

RoboMaste 2020全國大學生機器人大賽必備兵種工程機器人，工程機器人的抓彈平臺結構是否穩定是影響戰隊能力的一個重要因素，設計一套穩定的抓彈平臺是工程機器人的關鍵。根據比賽規則，利用SolidWorks軟件進行對抓彈平臺的運動仿真，通過keil軟件編程來控制車體和抓彈機構運動及完成變形動作，以獲得穩定、快速的抓彈平臺。

1 資源島結構分析

由于工程機器人在2020賽季中可以安裝發射機構，要實現所有功能就要求抓彈平臺設計得盡量小、輕。資源島位于賽場的中心位置，高度為700mm、長寬均為700mm，上表面均布有九個下沉100mm、長寬均為210mm的沉孔。資源島上的九個彈藥箱分別位于九個沉孔內，每個彈藥箱中裝有20顆42mm彈丸，總重量約為2100克。抓彈平臺的作用是將位于沉孔內的彈藥箱內的彈丸搬運到工程機器人中設置的彈倉內，并且將空彈藥箱拋出，讓彈藥箱不影響工程機器人的運動。根據團隊需求，抓彈平臺要實現六個彈藥箱的連續抓取，以及在抓取彈丸的同時，能夠交接彈丸的能力。因此決定：

（1）抓彈平臺的動力源采用氣缸驅動。因為氣動具有檢修維護簡單，對環境的適應性好、有正、反作用功能、整體結構簡單，可動部件少，對震動不敏感等優點。（2）在抓彈平臺的活動關節使用滑軌。為了實現六連抓的功能，抓彈平臺設置有向上抬升達到可以抓取彈丸的高度，向前伸，達到可以抓取第二排的彈丸的距離，向左和向右平移，達到可以抓取左右兩邊的彈丸。添加滑軌可以使活動的關節的摩擦力減小，增加關節的活動線性和活動精度。（3）抓彈平臺中的機械爪動力源使用兩個回轉氣缸。該氣缸在0.8兆帕的氣壓下可以產生3N/m的扭矩，可以滿足抓取彈藥箱的動力需求。

2 各個活動關節設計

2.1 升降關節

根據比賽規則，在整車尺寸不超高的情況小，同時降低整車的重心，所以抓彈平臺必須要有一段升降機構來保證實現上訴要求，升降關節作為抓彈平臺的最低端必須是穩固且輕的，為了實現對其重量的要求，在對于驅動其升降的氣缸的選型十分重要，所以選擇在設計過程中在軟件中將每個零件都添加上對應的材料，以至于能夠在三維圖紙中能夠得到相對準確的重量，也便也控制整車的重量。為實現整個抓彈平臺能夠穩定的上下運動，選擇在抓彈平臺的四個角落分別放置一個氣缸，經過多次測試之后結構仍然穩定，在升降關節的活動機構使用氣缸推動，使得結構設計比較簡單，穩定、易維修[1]。

2.2 平移關節

要實現六連抓功能，就要將抓彈平臺上面搭載的機械爪移動到需要抓取的彈藥箱前面，根據資源島上彈藥箱的布局，需要將機械爪向前平移和向左向右平移，一共有六個位置，在左上和右上的兩個位置是抓彈平臺位移最大的情況。為滿足整個抓彈平臺重量輕、結構穩的總體要求，在承重結構中選擇20mm×20mm×1.5mm的鋁方管和20mm×10mm×1mm的鋁方管相結合，在左右平移關節中使用20mm×20mm×1.5mm搭建的剛性矩形結構，在前伸的關節中選擇20mm×10mm×1mm搭建的剛性矩形結構。在結構設計的過程中利用SolidWorks軟件進行有限元分析，得出該結構在最大位移時，最大形變小于10mm，符合設計要求[2]。

2.3 機械爪關節

機械爪作為整套抓彈平臺最重要的部分，也是抓彈平臺的難點，機械爪需要實現的功能是，夾緊彈藥箱并將其進行翻轉，使彈藥箱中的彈丸能夠落到工程機器人所攜帶的彈倉中。使機械爪翻轉的執行機構選擇的是回轉氣缸，結構簡單且電氣控制的調試也相對簡單。機械爪的長度對于翻轉的速度有很大的影響，在彈藥箱重量確定、回轉氣缸扭矩不變的情況下，機械爪越長，其結構的力臂越長，翻轉的速度越慢。在多次更改結構的情況下把翻轉中心盡量靠近資源島，縮短翻轉中心到資源島的距離，進而縮短力臂。

為了能夠把下沉100mm，長寬高均為200mm的彈藥箱從沉孔中抽出，有幾種解決辦法：（1）增加機械爪長度，使其能夠抓取彈藥箱的大部分，減小彈藥箱與沉孔內壁的摩擦，能夠緩慢的將彈藥箱從沉孔中抽出。這個方法通過多次實驗得知其最快速度也不能滿足比賽要求，而且這種結構的機械爪及其不穩定，在實驗中時常會出現不能將彈藥箱從沉孔中抽出的情況。（2）在機械爪的最前端設計一個能夠旋轉的機構，機構中主要使用兩個推力球軸承，在加夾緊彈藥箱的同時能夠使彈藥箱可以被動的旋轉，可以讓彈藥箱在離開沉孔的過程中保持彈藥箱側面與沉孔內壁相對平行的狀態，或者與沉孔內壁只是小范圍的接觸，產生的摩擦力不影響彈藥箱從沉孔抽出。（3）在Solid-Works軟件中進行運動仿真的過程中是可以完成從沉孔中抽出彈藥箱的動作的。但是在用實物的實驗中卻出現了不能使彈藥箱抽出沉孔的情況，這個情況主要出現在實驗后面的階段。

在實驗結果的分析中得出出現這樣的情況的原因：（1）機械爪前端用于旋轉的推力球軸承受損，導致彈藥箱不能被動的翻轉。（2）機械爪實驗次數過多造成的機構損壞，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，成功率達到80%，但是也體現了這種結構易壞、對整個機械爪損傷較大、成功率達不到比賽要求。（3）在第二種結構的基礎上增加一個將機械爪抬升的結構，相當于將沉孔的深度減小一段距離，讓彈藥箱在翻轉的過程中減小接觸沉孔內壁的概率，在對該結構進行運動仿真進行分析時得出將機械爪抬升30mm即可達到預期的效果。在實際的實驗過程中結合電氣控制可以非常流暢的將彈藥箱從沉孔中抽離，在氣壓穩定的情況下成功率可以達到100%，實驗結果完全符合預期要求。