Robomaster大賽的哨兵結構優化設計

劉疏桐，張瑞志，吳振豪，阮永鋒

（沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽，110136）

RoboMaster 機甲大師賽[1]是由共青團中央、全國學聯、深圳市人民政府聯合主辦，DJI 大疆創新發起并承辦的機器人賽事，作為全球性的射擊對抗類的機器人比賽，在其誕生伊始就憑借其顛覆傳統的機器人比賽方式、震撼人心的視聽沖擊力、激烈硬朗的競技風格，吸引到全球數百所高等院校、近千家高新科技企業以及數以萬計的科技愛好者的深度關注。

哨兵是賽場上唯一的全自動機器人，對地面機器人進行反擊，它有一個發射機構，可以發射17mm小彈丸，通過控制云臺電機實現在一定的角度范圍內俯仰運動；同時也有移動機構，可以在軌道上做定向運動。為了提高哨兵在新賽季[2]的表現，本文主要研究哨兵在結構設計方面提出一些優化方法。

1 雙云臺設計

為了規避敵方機器人的攻擊，需要哨兵能夠快速的運動，可以在軌道上設計兩個云臺[3-4]。新賽季對哨兵的要求變化較大，軌道形狀改為直軌道，在設計哨兵底盤上的輪系組合時可以做相應的改變，增加一個發射機構，由于哨兵的整體尺寸有一定的限制，需要合理布置兩個云臺的位置，最大限度的發揮哨兵的反擊能力，但發射機構的增加，必然會導致整體的重量增加，所以還要想辦法合理減輕整體的重量，使哨兵可以更加迅速的在軌道上進行移動，更好的規避敵方機器人的攻擊。

2 加強哨兵的攻擊能力

哨兵的攻擊能力是大賽取勝的關鍵，也是影響哨兵性能的主觀因素。為了提高哨兵的攻擊能力，我們在大賽設備的設計和制作的過程中，重點研究了新云臺的設計制作，以及如何布置兩個云臺，如何減輕云臺發射機構的重量，提高反擊效率。

（1）新云臺的設計

由于上賽季的哨兵只有一個掛載在底盤下方的下云臺，所以另外一個云臺要重新設計制作。而且我們把另一個云臺的安裝位置定在軌道上方，因此新云臺的設計要符合上云臺的這一角色設定，更多的任務是防空，地面的火力更多的交給下云臺去進行處理。

（2）移動的穩定性

比賽中哨兵的移動靠的是一個主動輪，并在兩側用兩個輔輪夾緊軌道。但是在一場比賽下來，兩側的輔輪可能會打滑，撇向一側，影響機器人的規避速度和射擊精度，甚至會損壞機器人結構。我們通過反復的實踐并修改輔輪結構的相應參數，找了出一套穩定的方案。

（3）整體的輕量化和可靠性

在加入了上云臺后，哨兵整體重量增加了近一倍。上賽季的哨兵以規避為主，反擊為輔，新賽季的哨兵上就恰恰相反了，但也不能忽視了規避的重要性。通過對一些機械結構的簡化和材料的選擇優化，并對關鍵的部位進行應力分析，在減輕重量的同時也能保證可靠性。

3 哨兵機器人的結構設計

為了加強哨兵機器人的攻防能力，我們對強哨兵機器人的結構進行了優化設計，通過solidworks建模，adams和matlab聯合仿真，單片機調控，并加入視覺技術，我們完成了新賽季哨兵的初步設計，設計圖如圖1所示。

圖1 哨兵設計圖

(1)采用“三面包夾”輪系結構

底盤結構放棄傳統的四面包夾結構，因為重力的原因，底面的包夾輪系實際上是一個虛約束，在哨兵巡航時，可能會給側面的輔輪施加過大的壓力，損壞結構。所以去除底部輪系，只保留上左右三面包夾，如圖2所示。且左右兩組輪系上裝有彈簧，可以在一定范圍內相對轉動，保證了哨兵安裝和巡航時的可靠性，如圖3所示。

圖2 “三面包夾”輪系結構

圖3 彈簧連接（彈簧未畫出）

（2）新哨兵上云臺的設計

上云臺（如圖4所示）的任務主要是防空，同時也要求兼顧地面火力。為滿足這一要求，我們將上云臺的發射機構位置前移，保證了發射槍口在pitch軸方向上有足夠的活動空間，俯仰角方案初步定為45度仰角，60度俯角（如圖5，圖6所示）。同時，為了保證pitch軸的響應速度，云臺的彈艙也從上一代放在發射機構上改為放在上云臺底板上，減輕了pitch軸絕大部分重量，目前的pitch軸基本可以做到無延遲響應。

圖4 新哨兵上云臺

圖5 45度仰角

圖6 60度俯角

（3）環氧板榫卯

哨兵是一個需要輕量化的英雄，它的構造基本由環氧板組成，板和板之間通過榫卯結構完成一定強度的連接。榫卯結構具有良好的抗壓抗震的效果，用在了哨兵底盤的制作上，使哨兵底盤具有更好的承重能力，可以在運行中很好的將云臺倒掛，同時其自身不易發生形變，并實現簡單快捷的穩定連接。

圖7 輕巧牢固的榫卯結構

為了使哨兵整體輕量化，我們對機器人的材料結構進行了分析篩選，最終選用了2mm和3mm的環氧板和碳板，價格經濟，強度合適，并且基本避免了鋁管等金屬材料的使用，連接部分也大量采用輕巧牢固的榫卯結構（如圖7所示）。而且對于一些受力條件比較復雜的零件，為保證其材料的強度，我們特意做了應力分析（如圖8所示），進而對零件的形狀進行優化改進，保證結構的可靠性。

圖8 應力分析

由于疫情的原因，五月的機甲大師賽改為線上進行，經過幾輪線上答辯，我們的設計思路得到了教授專家的一致好評，最終獲得了2020賽季全國三等狀，哨兵組獲單項全國二等獎，隨著新冠疫情的基本控制，新學年開學后，我們將抓緊時間制作實物器件，爭取在21新賽季能取得更好的成績。