基于競賽的智能機器人小車設計

高文英

摘要：為了提升大學生動手能力，根據機器人競賽要求，設計出一個能夠尋跡、避障、撿球、分球入庫的機器人小車。采用4輪進行避障行進及收球，采用3自由度直角坐標型手臂鏟板和機械爪配合結構，機械爪合攏后機械臂抬起使鏟板內的球由機長筒滾入收球框內，收球框分為上下兩層，通過直徑不同的原理進行分揀;通過電機選擇、舵機選擇及傳感器選擇，實現電動控制要求;最后Arduino單片機為控制核心進行編程，滿足運行要求。

Abstract： In order to improve operational ability of college students， according to the requirements of the robot competition， a robot car that can track， avoid obstacles， pick up the ball， and divide the ball into the warehouse is designed.? Four wheels are used to avoid obstacles and collect the ball， and the 3-degree-of-freedom rectangular arm scooping plate and mechanical claw matching structure are adopted. After the mechanical claw is closed， the mechanical arm is lifted to make the ball inside the scooping plate roll into the ball box from the machine barrel， the ball receiving frame is divided into two layers， which are sorted by the principle of different diameters; through motor selection， servo selection and sensor selection， electric control requirements are realized; finally， the Arduino microcontroller is programmed for the control core to meet the operation requirements.

關鍵詞：機器人;分揀;控制;

Key words： robot;sorting;control

0? 引言

為了達到國家高技能人才培養要求，適應中國制造2025發展，提高大學生動手實踐能力，在課程設置中增加實踐動手環節是當前教育課程改革不可或缺的重要環節[1]。

1? 機械部分設計

1.1 總體設計

采用4輪進行避障行進及收球，直流電機驅動兩個后輪提供車的動力來源，前輪為兩個萬向輪來轉向，收球方式采用3自由度直角坐標型手臂鏟板和機械抓配合結構，在車前進的過程中鏟板將緊貼地面將所經過處的球收起，收到球后機械抓合攏防止收到的球滾出去，機械爪合攏后機械臂抬起使鏟板內的球由機長筒滾入收球框內。收球框分為上下兩層，上層放網球，下層放高爾夫球，中間用三個桿支撐任意兩桿間的距離是比網球直徑小比高爾夫球直徑大，保證了球掉入收球框內后網球留在上層高爾夫球漏到下層實現分球效果。球筐內上下層均有一定斜度保證球滾動，在框的右側有一由舵機控制的擋板，當舵機順時針轉動時擋板向下轉動放出上層網球并保證擋住下層高爾夫球不被放出，當舵機逆時針轉時擋板向上轉動放出下層高爾夫球，總體設計如圖1所示[2]。

1.2 行走裝置

行走機構采用雙后輪制動，在車底板下共有四個車輪，兩個后輪各自連接兩個直流電機，通過電機提供動力來源，再由編碼器控制直流電機正轉和反轉來實現車的轉向。兩電機同向轉動時車直線行駛，兩電機不同向轉動時車開始做轉彎動作，如圖2所示，小車路線仿真如圖3所示。

1.3 抓取運球裝置

根據夾持物是球型，采用夾持型機械手，由一對齒輪、六個銅柱以及4個用亞克力板制成的機械手爪組成，此機械手爪可自由展開或閉合。運動機構，使手部完成升降，收縮和各種移動來實現手部對高爾夫球位置的改變。此機械手靈活性較強，通用性較廣，結構簡單，制作價格低，如圖4所示[3]。

2? 機器人電控、動力元件選擇

經過慣量與力矩歸算可得：T=0.225N·m，則選取電機轉矩T電=0.29N·m的直流減速電機。經過對機械臂慣量與力矩歸算可得：扭矩T=6.072kg/cm2，則選取扭矩為T= 13kg/cm2的MG995型舵機。

3? 傳感器選擇

3.1 光電開關

由于機器人需要進行對墻壁、網球、高爾夫球及球筐的識別，同時進行比賽任務，機器人分別在前部、后部安裝了紅外線光電開關，用來檢測障礙物以及根據得到的信號進行壁障。利用被檢測物體對光束的遮擋或反射，光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱，或有無對目標物體進行探測。

3.2 HC-SR04超聲波傳感器

在機器人執行任務的過程中，尤其在機器人放球的過程中，需要精確地將機器人定位與球筐附近，以實現將網球或高爾夫球精準地放入球筐，完成任務。

4? 電源及接口選擇

4.1 電源選擇

根據所選電機的額定電壓為12V，則機器人電源選用主電源為：12V鋰電池組，同時為了保證機器人始終保持額定運行速度，且同時實現舵機、光電開關等傳感器的正常運作，本次項目同時還采用了副電源為9V電池。

4.2 接口選擇

采用L298N電機驅動器：UNO MEGA 2560控制器;直流減速電機（帶編碼器）：L298N電機驅動器;舵機：UNO MEGA 2560控制器;光電開關：UNO MEGA 2560控制器;超聲波傳感器：UNO MEGA 2560控制器。

5? 結論

經裝配的智能小車工作性能良好，通過實踐操作使學生了解并關注智能機器人，在學習智能機器人編寫程序的過程中可以學到科學和高效的學習方式，提高邏輯思維能力和規劃能力，并具備發現問題、思考問題和解決問題的各種能力。

參考文獻：

[1]張莉，王江華.以機器人競賽為平臺 提高大學生創新實踐能力[J].科技風，2019（26）：32，35.

[2]吳悅.仿人機器人的設計與競賽應用[J].電子世界，2019（23）：136-137.

[3]鄭青斐.一種FTC競賽機器人的設計和組裝[J].電子世界，2015（15）：128-129.