移動射擊競賽機器人的設計

關鍵詞：ROBOTAC；移動射擊機器人；摩擦輪；發射

0引言

ROBOTAC競賽是中國原創的國家級機器人科技競技賽事，在符合規則的前提下，參賽選手可以自行設計車型、人型及多樣仿生型機器人并且設置執行機構。競賽場地分為上、中、下三路和雙方高地，每一條道路都設置不同的地形和障礙，參賽隊伍根據場地特點，有針對性地制作、調試機器人以適應不同的道路[1]。

從ROBOTAC競賽規則來看，新場地變化最大的幾個點分別是絕殺方式、中路的峽谷通過區、高地護欄，以往的絕殺方式都是沖到敵方高地直接對敵方堡壘進行持續輸出，當前的絕殺方式會根據每場比賽的具體規則和機器人的設計而有所不同。通過設置環形谷地形，極大地限制了機器人重量與數量。此外，高地護欄的增加提升了手動車登上高地的難度。場地變化及規則引導了手動車采用對抗拼殺的競技方式，但規則降低了車身重量的限制要求，將對抗的量級推上了新的高度，這對手動車是一個新挑戰。在歷年競賽中，各個實力較強的學校幾乎都憑著強勁、精良的仿生機器人貫穿全場，一般手動車難以抵擋兇猛、無敵的仿生機器人，最有效的辦法就是利用地形和障礙將仿生機器人擋在防區之外。移動射擊機器人是能夠自動或遠程控制進行射擊的機器人，它可以通過預設的程序、傳感器或遠程控制系統來識別目標并進行射擊。優秀的移動射擊機器人可以占據先期的競賽優勢。

1設計需求

由ROBOTAC競賽場地示意圖（圖1）[2]可知，所設計的移動射擊機器人如果想攻擊對方堡壘，必須移動到環形山或者通過擺錘區或者通過流利條障礙區。具體區域如圖1中間環形區。通過分析往屆競賽視頻發現，擺錘區、流利條障礙區是雙方對峙的重點區域，移動射擊機器人很難順利通過這兩個區域。規則對操作區存在較多的限制，移動射擊機器人的設計要求其要具有一定的準確性并且在操控上靈活、便利。峽谷區環形山是移動射擊機器人進攻堡壘的首選攻擊位置，從而要求設計的機器人具備順利登上峽谷區環形山的能力和較強的操控性。通過分析競賽場地，移動射擊機器人受規則限制：炮彈發射距離不能超過10m，因此以堡壘為圓心，以10m為半徑畫圓，該范圍為炮彈發射區域。

通過分析場地圖高地外圍新增的障礙樁，3處通道均易守難攻，得分難度加大。基于往屆機器人技術的使用和競賽情況，研究人員制定了一個穩健的競賽策略：通過設計一臺具有遠程得分能力的移動射擊機器人，在己方半場襲擾對手，伺機選擇合適的位置直接吊射高地上的堡壘，這既可以完成得分，又避免直接面對對方強大的攻擊機器人，從而以游擊戰的方式來進行競賽。

2機械結構設計

基于上述分析，移動射擊機器人的機械結構設計要考慮射擊精準度，提高炮彈發射線性與穩定性，從而準確打擊目標；提高移動射擊機器人的運動靈活性，使其能夠自由移動和躲避敵方攻擊；移動射擊機器人還要具有一定的載彈量以實現連續攻擊。合理的機械結構可以確保機器人在運動和移動射擊時的穩定性，以及在面對各種復雜環境時的適應性。

根據競賽規則，本文對移動射擊機器人的設計思路是采用一對摩擦輪機構將符合規則的彈性球，也就是炮彈發射出去。機器人主要由軀體、供球機構、摩擦輪發射機構和車輪組成。

2.1軀體

軀體需要為車體提供足夠的剛性以避免車體變形、支撐車體重量，所以主要框架結構采用碳纖板材料，底板采用鋁料。機器人參加競賽時，規則對機器人的重量有一定的限制，碳纖板可以在保證小車整體重量的同時使機器人車體的整體結構更緊湊，受外力時不易變形。這對機器人的攻擊性和抗擊打性也具有重要的作用，鋁合金板的車身極易變形，所以大多數隊伍在競賽時基本是采用了碳纖板材料。在設計移動射擊機器人時，考慮其運動的靈活性很重要，同時還要考慮機器人的重心，重心越低，穩定性越強，但是也不能太低。因此在設計時可以通過升高移動射擊機器人的車架并增大車輪尺寸，這樣有利于機器人跨過臺階登上環形山，占據有利位置直接攻擊堡壘，4組行星減速輪電機提供了強大的動力輸出。

2.2供球機構

移動射擊機器人的供球機構由撥球盤、下球盤、步進電機組、落球道等部分組成，供球機構如圖2所示。撥球盤上開有下球口，當撥球盤轉到下球口時，炮彈順著下球口進入落球道中，以便將炮彈送入下方的發球機構。下球盤上的球受重力作用沿著落球口自然落入落球道，再通過步進電機控制撥球盤轉動，進而控制機器人是否進行射擊。撥球電機選擇步進電機，該電機沒有電刷且可靠性較高，每一步的精度一般在3%～5%，且每一步的誤差不會累積到下一步，因此具有更好的位置精度和運動重復性。同時，步進電機轉速不能過高，因為隨著轉速的增加，轉矩會逐漸變小，導致炮彈和球盤之間產生的摩擦力不匹配。

在競賽環境下，需要盡可能多地儲存彈性球，所以設計放置12枚炮彈的撥球盤。后期實踐中發現，需要控制一定的彈性球數量，因為彈性球越多，摩擦力也會隨之增大，如果此時電機的轉速也增大，轉矩和阻力之間的平衡就不穩定，進而出現卡球的現象。

移動射擊機器人在以往的競賽中不夠靈活，是由于移動射擊機器人采用上供彈的形式，彈倉結構較大，使得機器人頭重腳輕，從而大大影響了其移動速度。本文改變了彈倉結構，采用左輪手槍的模式，降低移動射擊機器人重心，進而提高了穩定性。

2.3摩擦輪發射機構

發射球的原理是雙摩擦輪相對反向旋轉，使炮彈在發射前獲得一定的運動能量。這個原理方案簡單實用，既能保證彈性球發射的穩定性，又能調節彈性球發射角度和速度，對轉雙輪發射原理如圖3所示。

假設摩擦輪角速度為ω，半徑為R，摩擦輪的線速度v計算公式[3]為：

彈性球在瞬時的速度與v相同，這也是彈性球的初速度，因此測量摩擦輪的角速度即可得到彈性球的初速度。而摩擦輪的角速度可以通過電機的轉速和傳動比來控制，所以通過調整電機的轉速或傳動比，可以改變摩擦輪的轉速，從而控制球的發射速度。

摩擦輪是通過數控加工獲得的曲面，其使用了尼龍材質。摩擦輪多采用圓柱面，摩擦輪與彈性球的圓弧面相互接觸擠壓，在擠壓發射的過程中彈性球發射的方向、角度不受控制，因此彈性球發射后的運行軌跡無規律。在設計中將摩擦輪加工成貼合球面的曲面，在發射時球面和摩擦輪相接觸時，能夠更好地固定球的接觸面，同時約束彈性球和摩擦輪分離瞬間的角度。

本文針對移動射擊機器人設計了一個炮管，其主要作用就是提高彈性球的速度和對準方向。因為尺寸的限制，不能設計過長的炮管，實驗發現炮管長度也不是越長越好，由于摩擦輪接觸彈性球存在一定的不確定性，因此有可能產生一邊受力多，一邊受力少的情況，進而產生了偏心距。同時，在炮管中的彈性球會與管壁產生摩擦，這種摩擦會大大降低彈性球的速度，從而導致彈性球發射距離縮短。因此，本文設計了一個較短的炮管，其僅僅起到對準的作用以增加彈性球的命中率，還在管道內壁設計了6條螺旋膛線從而約束彈性球在發射初期的偏移量，這在一定程度上提高了命中率。

發射機構的主要功能是隔絕外界以及支持發射機內部的發球電機，其屬于箱體類零件。所設計的箱體需采用一體化設計，同時應具有較好的適應性，如耐高溫、耐潮濕、材料輕巧、防銹、耐用等。由于大疆2312E電機通體導電，所以要求整個箱體為絕緣材料。考慮到零件復雜，使用3D打印和聚乳酸（PLA）材料完成箱體零件的加工。

2.4車輪

車輪要滿足登上環形山要求，從尺寸上來看，單級臺階高度為100mm，臺階面寬度為200mm。移動射擊機器人完整通過環形山需要連續跨越三級，其底盤高于單級臺階高度，并且輪距大于兩個臺階面的總寬度，使得車輪能夠攀爬過階梯且不易發生車輪打滑情況，輪距和底盤尺寸如圖4所示。由于之前一直使用橡膠輪胎，控制電路較簡單，不需要特殊的驅動板，操作簡單，爬坡和加速等能力也較優秀。但因為橡膠輪胎與地面的摩擦力較大，電機的負載也較大，特別是在原地旋轉或急轉彎時，摩擦力都會增大，導致機器人后輪內側會擠壓機器人機架，車輪轉動不靈活。這種情況在任務賽中表現更為明顯，因此本文使用麥克納姆輪代替橡膠輪胎，麥克納姆輪能夠全方位移動且對地面的摩擦力較小。同時設計時還需確保底盤穩定運行，避免底盤在運動中出現車體震動的情況，提升底盤的越野能力，使底盤在地面不平整的路面有效運行，減少運行中的震動影響，幫助機器人更好地跨越障礙物，提升機器人的攀爬能力[4]。

3結語

基于ROBOTAC競賽的移動射擊機器人設計是一個復雜而有挑戰性的任務。本文對移動射擊機器人的設計進行了研究，通過改進摩擦輪設計提高移動射擊機器人彈性球發射的線性與穩定性，采用上供彈的形式提高投擲運動的靈活性。通過改進與創新，使移動射擊機器人成為競賽中的利劍，在競賽的初始階段就可以迅速得分，在其他車型機器人的配合下形成多樣的進攻套路。

未來，人工智能技術的應用、自主決策能力的提升以及跨領域融合將是移動射擊機器人發展的重要方向。通過不斷的研究和創新，相信基于競賽的移動射擊機器人將在未來取得更加出色的成果。