基于Robomaster哨兵機器人的360°傳彈方法

王瀚，李國利，胡曉航，田田

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

近些年來隨著機器人競賽的發展，涌現出各種各樣的比賽，在這其中有一項以射擊對抗為核心的比賽在眾多比賽中脫穎而出，這便是Robomaster全國大學生機器人大賽。

這個比賽通過發射17 mm的子彈命中敵方裝甲模塊，來進行計分和判定勝負。這個比賽的一大亮點便是發射實體的彈丸來命中敵方裝甲。如果想要在這個比賽中獲勝，有一套穩定的傳輸和發彈機構是必不可少的。在這個比賽中有一類機器人便是哨兵機器人。得益于導電滑環技術的發展[1]，目前的哨兵機器人云臺普遍能夠360°自由旋轉。擁有360°自由旋轉的云臺，能讓哨兵機器人在賽場上更加靈活。但新增的導電滑環會占據原有的傳彈管路，子彈必須通過其它途徑到達下方云臺。圖1所示為賽場上的哨兵機器人。

圖1 實際比賽場上的哨兵機器人

由于哨兵機器人倒掛在軌道上，用于儲存子彈的彈倉不能放在下方的云臺上，只能放在機器人的整體框架上。因此要將子彈從彈倉運送到下方發射機構，必須跨過云臺yaw軸電動機。云臺的供電可以用導電滑環來完成。子彈運輸方面，本文所提出的這套機構將會提出一種新的解決方案用于傳遞子彈。其核心原理是將子彈通過特殊機構在云臺電動機外部加以引導，讓子彈能夠沿著電動機外壁運動到下方云臺之上。而且這套機構能保證以相同的位置將子彈送入下方的云臺。

對比其他2種方案，這套方案有更高的可執行性。在比賽過程中哨兵機器人需要將子彈從彈倉傳入到下方發射機構當中。目前的解決方案是：定制空心滑環，讓子彈從滑環中間穿過。但這樣會導致整個體積變大，而且空心滑環體積較大，較為笨重，不利于機器人輕量化。目前已知的第二種解決方案是：將彈倉和發射機構都放在云臺上，但這樣會導致云臺質量過大，反應速度下降，而且對電動機的損耗也會增加。

為此我們查閱相關文獻，參考各類相關技術論壇，以及各個戰隊已經成熟方案的開源圖樣，對現有的機械結構進行創新。并利用三維建模軟件對其進行具體的結構設計和細節優化，確定了最終的相關參數尺寸。并且對子彈在機構中的運動軌跡進行了分析和計算[2]，計算了子彈在機構中的運動速度[3]和運動軌跡。由于這套機構采用一種回旋裝置來對子彈進行約束[4]，回旋的過程中有可能對機構產生破壞，所以我們用有限元分析對易損件進行校核。最后得出結論，設計的結構是合理的，這也說明了該方案的可行性。

1 具體實施方案

1.1 設計要求

要求在下方云臺任意角度運動的時候能夠傳遞子彈，而且不會影響云臺的正常運動，同時要求下方云臺能夠接收到上側彈倉傳過來的子彈。

1.2 工作原理

解決技術問題所采用的技術方案是：利用一個圓環和一個圓盤分別固定上下兩部分。由于圓的特性，不論上下兩部分以何種角度，兩裝置的投影都是相同的，利用這一點就可以讓子彈通過兩個裝置進行傳遞。上部的圓環可以將子彈約束在下方圓盤上方，這樣子彈由于重力作用就會落入下盤，下盤帶有斜度，最低處有開口，子彈從開口脫離機構，從而達到傳遞子彈的目的。而下盤跟隨云臺一起轉動，兩者無相對運動，所以子彈能保證進入下方云臺時位置不變。工作時的彈丸噴射進入機構如圖2所示。

圖2 彈丸噴射原理圖

1.3 傳輸說明

這套機構由4個部分組成。圖3為機構的剖面圖，工作過程中電動機上下有安裝孔，分別連接上下兩部分，電動機為下部分提供轉動的動力。上引導裝置2固定于上部分，和機身本體相連，在電動機轉動的時候不動。下引導裝置4和云臺相連，電動機轉動時隨著云臺轉動。子彈通過上引導的圓形管道口進入主體機構，由于上引導裝置的作用，子彈始終被限制在下部引導裝置的上方。同時子彈由于重力作用會落到下引導裝置上，下引導裝置為開口結構，用于接納從上引導裝置落下來的子彈，同時該機構內部有斜度，由于重力作用，子彈會落到下引導裝置的最低處，同時最低處設有出口，子彈會從此開口落出。由于下引導裝置隨著下部分旋轉，所以下部引導的出口和下部分相對位置固定，可以將子彈傳遞到下方云臺。

圖3 機構剖面圖

2 物料運動狀態和強度分析

2.1 運動分析

在彈倉中的子彈通過彈倉下部的撥彈裝置進入輸彈管道。撥彈裝置由撥彈輪和撥彈倉組成，撥彈輪和小型電動機相連，子彈經過撥彈輪的梳理會有序進入管道，同時經過撥彈輪后子彈會獲得一定的速度，這有助于子彈后續的運動。經由撥彈輪整理后的子彈會進入引導裝置。而不同的初速度的子彈進入環形引導裝置的具體運動情況也不一樣。分情況討論。當兩個裝置相對位置恰好為圖4所示的位置時子彈經過裝置所用時間最少。

圖4 子彈進入系統后以最短路徑脫離

假設物料以初速度V進入環形引導裝置，子彈在引導裝置中豎直下落的距離為h。目前已知引導裝置內徑為124 mm，比賽用的子彈為17 mm。

圖5中虛線為子彈動軌跡曲線。當子彈從管道射入裝置內，開始做平拋運動，其運動規律為二次拋物線，當子彈觸底時恰好下方引導裝置開口在子彈下落著地點，子彈從裝置內脫離，不與下方引導裝置接觸，直接進入下方云臺。設子彈以初速度0.72 m/s進入裝置，裝置高度為42 mm，由自由落體公式h=gt2/2可以算出下落的時間為0.09 s，物體所走的水平距離為65 mm，即恰好可以脫離下引導裝置的最短時間為0.09s。

圖5 子彈以最短路程經過裝置時的軌跡

子彈在裝置中運動距離最長，2個機構的相對位置如圖6所示。當子彈射入裝置后，會受到上引導裝置的限制，沿著上引導裝置內壁做回旋運動，最終落到下引導裝置的托盤之上。在俯視圖中，物料所走的路程為一個直線段加半圓，同時物料還有高度上的位移。現在分2種理想情況進行討論。第一種情況是：物料初速度較大，不接觸底盤，直接沿著裝置內壁運動，從出口脫離。第二種情況是：物體初速度較小，經由滑環下部滑出出料口。在第一種情況下，物體運動分為兩個階段：第一階段做平拋運動，第二階段與內壁接觸開始做圓周運動。比賽中子彈的大小為17 mm的球體，引導裝置的內徑為124 mm，減去球體的直徑得到球體質心所走路徑為一個107 mm的半圓，同時測得球體所走的直線距離為64 mm。得到總的路程S=64+107π=400.1 mm，由自由落體公式可得物體的運動時間為0.09 s，由公式S=v·t可以算出進入物體的初速度v=4.4 m/s。第二種情況下，速度過小就會落到下盤。具體下落時間與下盤的運動角速度和角加速度有關，而且與下盤的運動方向有關，當子彈的運動方向和下盤的運動方向一致時時間變長，當子彈運動方向和下盤的運動方向相反時時間縮短。

圖6 子彈以最大位移從裝置中脫離

2.2 強度校核

通過運動分析可知，上引導裝置將會給彈丸提供一個向心力，如圖7所示。速度越快，需要的向心力越大，外壁所受到的反作用力也越大。如果速度大到一定程度，外壁所受到的反作用力將會使外壁發生形變。如果受到的力過大則有可能發生損壞。因此需要對易損件進行強度校核。

圖7 球形彈丸會與外壁接觸

下面利用SolidWorks進行有限元分析。在上引導裝置的內壁加上一圈向外方向的力來模擬提供給子彈的向心力。仿真結果如圖8所示。

圖8 受力后應變圖

通過圖8可以清晰地看出，當施加相等外力在周圈上時，靠近入口的半圈受力應變最大，而遠離射入口的半圈受力所產生的應變小。而給子彈提供向心力的主要為遠離射入口的半圈，而靠近射入口的半圈幾乎不受力。由此可以得出結論，這個件的受力是完全合理的。

3 應用推廣

這套系統不僅可以應用在Robomaster比賽賽場上，還可以應用在各種機械臂上，作為傳輸過程中的一個中轉站，這套系統可以安裝在相關的機械臂上。例如在醫療機器人領域可以用于運輸藥丸，將藥丸利用這套系統從機械臂外圍運輸，從而減少機械臂來回抓取的時間，提高效率。還可以用在工業生產中。在工業生產中的裝配機械臂，可以將較小的零部件從機械臂外側運輸，而減少了抓取的時間。圖9所示為分揀機器人，利用這套機構可以將物料通過機械臂的外圍直接運輸到分揀機械手上，減少了機械臂的運動復雜性。

圖9 分揀機械臂

4 結論

通過設計并校核一個新的機構，改進了一種Robomaster哨兵機器人的傳彈方法。采用一種新的中間機構，能夠讓子彈順利跨過云臺電動機，消除了加裝導電滑環所帶來的不良影響。而且對不同初速度進入裝置的子彈運動軌跡進行了分析和計算。提出了機構中的易損件并分析了易損件的易損原因，最后通過SolidWorks有限元分析校核了該件的強度，分析了易損件中不同位置的受力情況，驗證了這個機構的合理性和可行性。最后進行了應用拓展，分析了在不同領域內這套機構的具體拓展形式。雖然這套機構有較為廣泛的應用性，但同時這套裝置也有一定的不足。目前這套機構只能用于傳遞圓形子彈，無法適用于形狀更復雜的不規則物料，這也是今后研究和改進的方向。