張丙煬，許赟昊，于學(xué)海

(1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804;2.同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

1 引言

足球機器人是機器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究課題之一，其研究極富挑戰(zhàn)性［1］。足球機器人比賽一般具有較高的對抗性，所以對機器人的機械結(jié)構(gòu)和硬軟件系統(tǒng)有著更高的技術(shù)要求。足球機器人為機器人足球比賽的具體執(zhí)行者，其主要功能是根據(jù)程序和算法判斷并實現(xiàn)運動指令在一定時間內(nèi)要求實現(xiàn)的動作。在準(zhǔn)確接收到運動指令后，機器人的運動準(zhǔn)確度主要取決于機器人本身，包括其控制系統(tǒng)的控制精度、驅(qū)動系統(tǒng)的傳動精度以及足球機器人的動態(tài)特性等［2］。輪式足球機器人作為足球機器人中最常見的一種［3］，具有控制簡單、傳動準(zhǔn)確、啟停迅速、轉(zhuǎn)向靈活、速度快等優(yōu)點，一直被國內(nèi)外足球機器人比賽參賽者所采用。

目前常見的輪式足球機器人主要有以下幾種形式:①兩輪驅(qū)動式;②履帶式;③全方位式［2］。其中兩輪驅(qū)動式機器人結(jié)構(gòu)簡單，但容易產(chǎn)生動力不足的問題，在足球比賽正面沖撞對抗中往往不能占得優(yōu)勢。履帶式機器人傳動精確，通過性強，但速度靈活性較低。全方位機器人采用特殊的車輪結(jié)構(gòu)和布置，可實現(xiàn)各類平面運動，具有動作靈活、轉(zhuǎn)向自如的特點，但其復(fù)雜性也較大地增加了控制難度和制造成本。筆者設(shè)計的機器人同時考慮到了三種常見輪式足球機器人形式的優(yōu)缺點，采用四電機四輪驅(qū)動，且兩側(cè)電機組獨立控制，提高了控制的精確性與運動的靈活性。同時，在控制系統(tǒng)、射門裝置和車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面均做出了一定的創(chuàng)新，實現(xiàn)了線性調(diào)速與連續(xù)射門的功能，進一步提升了機器人性能。

2 設(shè)計要求

文中的足球機器人主要針對同濟大學(xué)第六屆創(chuàng)意機器人挑戰(zhàn)賽要求設(shè)計。比賽主題為1V1足球機器人對抗賽，比賽機器人尺寸要求能夠?qū)⒆钚∷酵队跋拗圃?00 mm×300 mm的矩形區(qū)域內(nèi)，比賽用球為直徑約67 mm的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球。

比賽中所用的球門采用創(chuàng)新的三層式設(shè)計，從底層至頂層進球后分別記1、3、5分。由此可見，要想在比賽中獲得較高的分?jǐn)?shù)以保證競爭力，足球機器人必須具有可連續(xù)射門的機械結(jié)構(gòu)。此外，為保證機器人在場地中控球、轉(zhuǎn)向的靈活性以及良好的操控性，機器人還應(yīng)具有線性調(diào)速功能。

3 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者設(shè)計的足球機器人總體結(jié)構(gòu)分為發(fā)射裝置層與驅(qū)動控制層上下兩層，兩層之間用5 mm厚有機玻璃板隔開，并通過數(shù)據(jù)線相連接。下面分別敘述兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

(1)驅(qū)動控制層結(jié)構(gòu)設(shè)計 足球機器人驅(qū)動控制層的結(jié)構(gòu)和布置如圖1所示。設(shè)計目標(biāo)為保證尺寸要求，合理安排各控制和驅(qū)動單元的布局位置，同時使機器人具有一定的強度，以適應(yīng)比賽中可能遇到的對抗與撞擊。驅(qū)動控制層框架結(jié)構(gòu)由底盤和側(cè)板組成，底盤和側(cè)板零件由6 mm鋁合金板CNC數(shù)銑加工而成，保證了車身整體強度。底盤上裝有控制電路、驅(qū)動電路、12 V直流驅(qū)動電機以及65 mm鋁合金輪轂輪胎四大單元。底盤前部帶尖凹槽為控球結(jié)構(gòu)。

圖1 控制驅(qū)動層結(jié)構(gòu)

驅(qū)動控制層整體上采用了對稱設(shè)計，使重心位于底盤幾何中心附近，保證了機器人小車原地旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)中心也位于中心位置。驅(qū)動控制層重量約占整個機器人的70%，這就使機器人車體獲得了較低重心位置，從而提高了機器人的穩(wěn)定性。

(2)發(fā)射裝置層設(shè)計 發(fā)射裝置層的結(jié)構(gòu)和布置如圖2所示。發(fā)射裝置層主要由機械臂和發(fā)射裝置兩部分組成。其中機械臂由舵機控制，其功能是將球抬起并通過導(dǎo)軌收入發(fā)射筒中，為發(fā)射做好準(zhǔn)備。發(fā)射裝置由發(fā)射筒、蓄力裝置、導(dǎo)向定滑輪、卷揚伺服電機和電磁鐵觸發(fā)器等單元組成，其作用是實現(xiàn)機器人的連續(xù)射門功能。

圖2 發(fā)射裝置層結(jié)構(gòu)

根據(jù)中場和點球點處分別攻入3分，5分門原則，發(fā)射筒仰角可按下式設(shè)計:

式中:v為出射速度，此處取v=4～5m/s;α為發(fā)射仰角;l3和l5分別為中場和點球點距球門水平距離;h3，h5分別為3分、5分球門高度。根據(jù)計算結(jié)果取發(fā)射筒仰角為45°，并在蓄力裝置中采用內(nèi)徑1.6 mm，外徑3.2 mm的乳膠皮筋。

(3)連續(xù)射門功能的實現(xiàn) 連續(xù)射門功能由循環(huán)發(fā)射程序控制與實現(xiàn)，其基本工作原理為:打開機器人電源開關(guān)，發(fā)射裝置即初始化，發(fā)射程序開始運行。卷揚伺服電機正轉(zhuǎn)工作，將高強度尼龍繩繞上繞線軸，同時通過導(dǎo)向滑輪將與尼龍線相連的發(fā)射擋板下拉，此時擋板上安裝的皮筋從導(dǎo)軌中伸長蓄能。當(dāng)擋板下拉130 mm行程時，掛鉤恰好勾住觸發(fā)桿鎖定裝置，同時電機開始反轉(zhuǎn)相同的圈數(shù)，將彈射所需行程轉(zhuǎn)出。完成以上準(zhǔn)備工作后，按下發(fā)射按鈕，電磁鐵通電，其鐵心帶動觸發(fā)桿右移15 mm，將掛鉤脫出觸發(fā)，皮筋彈力即將球射出發(fā)射筒，然后電磁鐵斷電復(fù)位。完成上述一套發(fā)射動作后，程序自動開始下一次循環(huán)并為下一次發(fā)射做好準(zhǔn)備。

實驗表明，通過精確調(diào)整卷揚伺服電機的正反轉(zhuǎn)時間，發(fā)射裝置可在不進行調(diào)零操作的情況下至少連續(xù)射門120次以上而不出現(xiàn)較大誤差，這一數(shù)字完全滿足單場比賽的要求。

4 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

足球機器人控制系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。12 V鋰電池為控制器、遙控接收模塊、電機和電磁鐵供電。遙控接收模塊接收來自遙控器的控制信號并將信號解碼傳輸至控制器?？刂破鞲鶕?jù)具體信號內(nèi)容控制各驅(qū)動模塊，進而控制機器人動作。控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)版采用了STC12C56XXAD系列單片機實現(xiàn)處理控制。系統(tǒng)總體電路接線圖如圖4所示。下面分別介紹各模塊的設(shè)計。

圖3 控制系統(tǒng)總體框圖

圖4 系統(tǒng)電路接線圖

(1)電機驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計目的是實現(xiàn)控制器接受到的控制指令，并驅(qū)動左右兩組電機完成控制指令要求的動作(如前進、后退、轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)等)。根據(jù)設(shè)計要求，機器人應(yīng)具有線性無級調(diào)速功能，所以電機采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)來驅(qū)動。左右驅(qū)動電路采用英飛凌BTN7971B芯片組建雙H橋電機驅(qū)動電路，依靠通道選擇器74LS157芯片實現(xiàn)電機換向。

使用BTN7971B電機驅(qū)動芯片的理由:①芯片的內(nèi)部阻抗極低，具有極高的驅(qū)動力，滿足大功率電機的供電需求;②由于電機在較為惡劣的環(huán)境下工作(長時間通電、堵轉(zhuǎn)、被迫反轉(zhuǎn)等)，對于驅(qū)動橋電路的各方面性能要求較高;③該芯片電路設(shè)計簡易、使用簡單、便于診斷錯誤。

(2)遙控接收模塊 遙控接收模塊采用8通道RG831B接收機和與接收器相連的RA01T資料發(fā)射器。資料發(fā)射器可將機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)傳回遙控器發(fā)射機，實現(xiàn)與遙控器的雙向傳輸。之后可通過所用7通道NET-K337G遙控器的液晶屏幕及時對控制參數(shù)做出監(jiān)視和微調(diào)。遙控接收機主要有兩個功能:①直接接收并傳輸遙控器指令控制機械臂舵機，提高了機械臂的控制響應(yīng)速度和實時性;②接收遙控器信號，并將信號轉(zhuǎn)換成PWM傳至單片機。同時RG831B接收機還具有以下兩個優(yōu)點:①2.4 GHz數(shù)字信號傳輸，自動跳頻，抗干擾能力強;②使用差分天線提高了靈敏度。

(3)最小系統(tǒng)版 機器人控制器采用最小系統(tǒng)板搭載STC12C5608AD單片機實現(xiàn)。采用STC 12系列單片機進行處理控制相比傳統(tǒng)單片機具有明顯的優(yōu)勢:①STC12C5 608AD單片機處理速度為傳統(tǒng)51單片機的12倍［4］，保證了控制的靈敏性和實時性;②具有4路獨立硬件PWM，減少資源消耗;③內(nèi)置8路高速A/D轉(zhuǎn)換，大大提高了控制運動精度［4］;④內(nèi)置PCA捕獲模塊和高精度定時器，提高了PWM信號的讀取精度。

(4)電源模塊 為使控制器供電與電機、電磁鐵供電互不影響干擾，采用電源隔離措施。該機器人電磁鐵使用繼電器控制，從而達(dá)到了電氣隔離的效果。電源模塊采用LT3971開關(guān)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，其開關(guān)頻率可達(dá)2 MHz，能有效減少電壓波紋，降低沖擊，同時其最高效率可達(dá)96%，可有效降低能耗。

(5)線性調(diào)速功能的實現(xiàn) 機器人的線性調(diào)速功能由PWM信號控制驅(qū)動電機實現(xiàn)，在線性調(diào)速過程中需要系統(tǒng)各單元之間的相互協(xié)調(diào)配合。線性調(diào)速的原理是通過改變PWM信號的占空比，從而以線性升高或降低電機電樞電壓。由于電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正線性相關(guān)，改變占空比即可達(dá)到線性升高或降低電機轉(zhuǎn)速的目的［5］。線性調(diào)速的步驟:①遙控接收器在接收到遙控信號后將其轉(zhuǎn)換為PWM信號傳輸至單片機;②單片機將PWM信號進行A/D轉(zhuǎn)換;③單片機向轉(zhuǎn)向邏輯模塊(TLM)輸出兩路獨立的PWM信號;④邏輯模塊分別向左右驅(qū)動電路傳輸各自的PWM信號;⑤驅(qū)動模塊控制左右兩側(cè)電機在對應(yīng)其PWM信號的轉(zhuǎn)速下運行。

實際測試表明，由于采用了合理的控制電路設(shè)計方案，該足球機器人的線性調(diào)速功能實現(xiàn)良好，且具有響應(yīng)快、精度高、調(diào)速范圍大的特點。

5 程序設(shè)計

該機器人設(shè)計控制程序是在STC12C56XXAD系列單片機開發(fā)調(diào)試環(huán)境Keil uVision3下使用C語言編譯而成的。程序主體為控制器程序，程序流程如圖5所示。其中初始化過程記錄各通道初始值，并執(zhí)行伺服電機復(fù)位動作;3個通道分別為前后、左右的線性通道和一個控制發(fā)射的開關(guān)通道;短暫延時是為了防止程序執(zhí)行速度過快，通道捕捉中斷來不及響應(yīng)而添加的。

圖5 程序流程圖

6 結(jié)語

筆者從機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和程序算法三方面分析和給出了一種新的足球機器人的設(shè)計方法和實現(xiàn)途徑。該足球機器人由四電機驅(qū)動，無線電遙控操作，采用STC12C56型單片機控制，具有控球、連續(xù)射門和線性調(diào)速功能。在已結(jié)束的2013年同濟大學(xué)第六屆創(chuàng)意機器人挑戰(zhàn)賽中，該足球機器人憑借優(yōu)異的表現(xiàn)獲得了冠軍。實踐證明，該足球機器人在實戰(zhàn)中運動靈活、響應(yīng)迅速、控球穩(wěn)定、射門精準(zhǔn)、操作簡便且功能完善，具有優(yōu)于同類足球機器人的性能。

［1］ 張小川，紀(jì) 鋼，邵桂芳，等.基于事例的足球機器人學(xué)習(xí)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，36(7):905-907.

［2］ 趙 臣，程 福，韓曉軍，等.輪式足球機器人動態(tài)性能研究［J］.機械工程學(xué)報，2004，40(12):45-47.

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［5］ 張智軍，張軍濤.單片機變頻調(diào)速PWM波發(fā)生器［J］.機械研究與應(yīng)用，2005，18(4):116-117.