陶冶

摘要：文章根據(jù)FRC比賽規(guī)則，有針對(duì)性地對(duì)參賽機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、程序控制以及電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型，以實(shí)現(xiàn)比賽用機(jī)器人相關(guān)功能。

關(guān)鍵詞：FRC比賽;機(jī)械結(jié)構(gòu);原理

FRC比賽是由一項(xiàng)美國FIRST主辦、面向全球中學(xué)生的工業(yè)級(jí)機(jī)器人競(jìng)賽，是全球最具影響力的青少年機(jī)器人賽事之一。根據(jù)比賽要求，參賽團(tuán)隊(duì)需對(duì)參賽機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)、研發(fā)、組裝及調(diào)試，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能穩(wěn)定行走運(yùn)動(dòng)，無振動(dòng)搖擺，機(jī)械臂夾持穩(wěn)定，工作效率高;程序設(shè)計(jì)要求編程命令簡(jiǎn)單，程序運(yùn)行穩(wěn)定，遙控裝置通信暢通;機(jī)器人的電氣部分按照比賽規(guī)定使用合適的零部件。

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要使機(jī)械臂夾取物品，將物品搬運(yùn)到一定高度的平臺(tái)上，并使機(jī)械臂保證夾持穩(wěn)定不掉落，抬升裝置保持穩(wěn)定運(yùn)行。按照以上要求，設(shè)計(jì)了以下兩種方案。其中方案一采用二連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行抬升。鑒于提升需要較大的桿力臂，所以動(dòng)力采用功率較大的CIM行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩桿之間用皮帶和同步輪進(jìn)行鏈接。但是實(shí)踐發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)存在鋁型材質(zhì)地太軟、機(jī)械臂易斷裂、皮帶易被拉伸形變、抬升力量太小以及不便維護(hù)等缺點(diǎn)。方案二采用叉車式抬升裝置，根據(jù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)原理，利用鋼絲牽引整體框架上下移動(dòng)。該方案利用電機(jī)帶動(dòng)鋼絲，力量足夠大，速度快。另外，鋼絲結(jié)實(shí)不易發(fā)生變形和斷裂，也便于更換，并且在蝸輪蝸桿中不易發(fā)生位置偏移，是理想的升降結(jié)構(gòu)。

在方案二中，機(jī)械臂前段夾緊裝置采用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，依靠氣壓驅(qū)動(dòng)夾持住箱子，使其在行進(jìn)或升降過程中不會(huì)滑落，且夾取和釋放的速度快，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修[1]。

另外，底盤是機(jī)器人的重要組成部分，承擔(dān)著機(jī)身負(fù)重和機(jī)器行走的功能，確保機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，無振動(dòng)或晃動(dòng)。在底盤的選型過程中，分別使用了鋼材和鋁材兩種材質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中鋼材底盤重心低，慣性大，機(jī)器人行走穩(wěn)定，但行進(jìn)速度慢，靈活性差，會(huì)在一定程度上降低機(jī)器人工作的效率;鋁材制作的底盤重量相對(duì)減輕了許多，對(duì)運(yùn)行的穩(wěn)定性影響不大，提高了機(jī)器人的靈活度。

二、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的功能，需進(jìn)行編程。在Eclipse平臺(tái)中引入FRC的環(huán)境變量后，利用C++程序語言進(jìn)行編譯，以控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基本的跑動(dòng)、轉(zhuǎn)向和抬升功能，并完成機(jī)械臂的抬起放下、夾緊松開等動(dòng)作。在自動(dòng)階段，機(jī)器人在程序控制下將夾持物品放在平臺(tái)上，直行、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作則通過主控板調(diào)配電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來完成。為了防止機(jī)械臂抬升時(shí)超出行程范圍，還要進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計(jì)。即一旦機(jī)械臂抬升達(dá)到極限，就會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，程序收到微動(dòng)開關(guān)的反饋信號(hào)后會(huì)使抬升機(jī)械臂的電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械臂抬升動(dòng)作完成后，程序會(huì)控制氣動(dòng)推桿和電機(jī)松開夾緊裝置，釋放箱子。機(jī)械臂的夾緊依靠氣壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)氣瓶的儲(chǔ)存氣壓下降到80psi時(shí)，按程序設(shè)定打開電磁閥進(jìn)行充氣，當(dāng)儲(chǔ)氣瓶氣壓達(dá)到120psi時(shí)則停止充氣，以保證安全。

三、機(jī)器人電氣部分選型

按照比賽規(guī)定，使用額定電壓12V，容量17 Ah～18.2Ah，長約18cm、寬約8cm、高約17cm的電池。另外，電調(diào)、配電板的選用也必須依照比賽相關(guān)規(guī)定。底盤上安裝4個(gè)CIM 電機(jī)，用來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，另外安裝一臺(tái)CIM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂抬升。CIM電機(jī)規(guī)格為輸入電壓12V，轉(zhuǎn)速530rpm，輸出功率337W。在機(jī)器人機(jī)械臂上，驅(qū)動(dòng)收放箱子的是2個(gè)VEX-BAG 電機(jī)，電機(jī)規(guī)格為輸入電壓12V，轉(zhuǎn)速130rpm，功率149W。搭配行星減速箱，通過鏈條傳動(dòng)以達(dá)到減慢速度、增加力量的效果。同時(shí)安裝電機(jī)于夾子后方，讓夾子重心靠后，防止抬升后力臂過大導(dǎo)致機(jī)器人傾倒[2]。

四、結(jié)語

對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與程序優(yōu)化后，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，能夠迅速準(zhǔn)確地完成遙探指令，順利完成行走、夾持、抬升、搬運(yùn)功能，出色地完成了比賽任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李少遠(yuǎn)，王景成.智能控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]楊可楨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.