楊子江 楊興明 曹彪 王昊波 劉濤 楊鵬頌

摘 要：本文設(shè)計(jì)制作了一款工程越野對(duì)抗機(jī)器人，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)越野、對(duì)抗和物料抓取功能。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，選用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，動(dòng)力十足；采用鉸接式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜障礙；選用專業(yè)越野型輪胎，并采取后輪減震方式，保證了其越野性能；設(shè)計(jì)制作了二自由度機(jī)械抓手，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高。在控制方面，采用RC3S遙控器和R4EH-H接收機(jī)，可靠性高、抗干擾性強(qiáng)。針對(duì)調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使整機(jī)性能得到優(yōu)化和提升。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 越野 鉸接式 控制 靈活性

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0098-03

Abstract：This article has designed and manufactured a project off-road combat robot， which can realize cross-country， confrontation and material grabbing functions conveniently and quickly. In the mechanical structure， the use of brushless motor as a driving device， full power； the use of articulated steering mechanism， flexibility， adaptability， able to cope with all kinds of complex obstacles； use of professional off-road tires and rear shock absorption mode， To ensure its off-road performance； design and manufacture of two degrees of freedom mechanical gripper， simple structure， practicality， high reliability. In the control， using RC3S remote control and R4EH-H receiver， high reliability， strong anti-interference. Aiming at the problems in the process of debugging， the corresponding improvements have been made so that the performance of the whole machine can be optimized and improved.

Key Words：Robots； Escape； Articulated； Control； Flexibility

機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械電子工程、計(jì)算機(jī)工程、材料工程、控制工程和電氣工程等多學(xué)科的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，代表著當(dāng)代最新科技水平。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程機(jī)器人越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到各行各業(yè)中，尤其是在高危、惡劣環(huán)境，枯燥、繁重的作業(yè)領(lǐng)域需求迫切。因而，工程機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，引起了世界各國(guó)的高度重視[1-3]。本文基于模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)并制作一款工程越野對(duì)抗機(jī)器人，兼具越障、對(duì)抗和物料抓取功能。

1 整體方案設(shè)計(jì)

工程越野對(duì)抗機(jī)器人系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向模塊、抓取模塊、控制模塊[4]。整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架模塊

工程越野機(jī)器人機(jī)架模塊的作用是連接并固定其他各模塊。機(jī)架采用“探索者”機(jī)械創(chuàng)新平臺(tái)模塊化零件制作完成，該零件符合國(guó)際零件標(biāo)準(zhǔn)，采用優(yōu)質(zhì)鋁合金，美觀耐用。設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔、緊湊為原則，并為各模塊安裝預(yù)留足夠的空間[5]。機(jī)架為前后分體式結(jié)構(gòu)，可以極大減小機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑。展開(kāi)尺寸為380mm×280mm×290mm。

2.2 轉(zhuǎn)向模塊

轉(zhuǎn)向模塊是一切車(chē)型機(jī)器人不可缺少的部分，它不僅影響到車(chē)體的牽引性，更直接關(guān)系到車(chē)體的機(jī)動(dòng)性及轉(zhuǎn)向靈活性。本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活的設(shè)計(jì)原則，采用鉸接式轉(zhuǎn)向方案。

鉸接式轉(zhuǎn)向模塊如圖2所示，依靠輪式底盤(pán)的前輪、前機(jī)架、工作裝置，繞與前后機(jī)架的鉸接銷(xiāo)做水平擺動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性好、越障性能出眾，成本也較低[6]。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 抓取模塊

機(jī)械抓手是機(jī)器人實(shí)施抓取和對(duì)抗的核心部件，一款實(shí)用高效的機(jī)械抓手會(huì)使任務(wù)變得簡(jiǎn)單[7-8]。依據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的原則，采用二自由度方案。機(jī)械抓手主要由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，一號(hào)舵機(jī)控制開(kāi)合，采用開(kāi)關(guān)信號(hào)控制，開(kāi)合角度在0°～180°之間。二號(hào)舵機(jī)控制抬起，能夠?qū)⒆ト〉降奈锪咸鹨欢ǜ叨?，采用模擬信號(hào)控制，機(jī)械臂將在-5°～+45°范圍內(nèi)擺動(dòng)，以滿足抬起任務(wù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

3.1.1 遙控器與接收機(jī)

2.4GHz無(wú)線技術(shù)是近些年快速發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于可滿足多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作互不干擾，提高了無(wú)線遙控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[9]。本設(shè)計(jì)使用環(huán)境中各種信號(hào)交織，對(duì)穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性都要求較高，故使用基于2.4GHz技術(shù)的遙控器與接收機(jī)。

（1）遙控器。

選用的RC3S遙控器，最大控制范圍可達(dá)400m，最長(zhǎng)工作時(shí)間可達(dá)5h，抗干擾性強(qiáng)，適合復(fù)雜電磁環(huán)境。

（2）接收機(jī)。

選用的R4EH-H接收機(jī)是典型的高壓接收機(jī)，可支持7.4V直流電直接供電，而舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓大多為6V，可直接驅(qū)動(dòng)伺服舵機(jī)工作。

3.1.2 電子調(diào)速器

電子調(diào)速器是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。與普通的機(jī)械式調(diào)速器相比，有體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用HOBBYWING QUICKRUN 60A電調(diào)。

圖3 機(jī)器人實(shí)物模型

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要包括無(wú)刷電機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)。無(wú)刷電機(jī)主要為整個(gè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為機(jī)械抓手的抓取動(dòng)作提供動(dòng)力。

3.2.1 無(wú)刷電機(jī)

無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成。與有刷電機(jī)相比無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁鋼，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機(jī)用來(lái)交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷，故稱之為無(wú)刷電機(jī)。本設(shè)計(jì)選用3650型有感無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，采用后輪驅(qū)動(dòng)方式。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)

標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)是舵機(jī)的一種，其特點(diǎn)是不能完成整周回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度只能在-90°～+90°之間，機(jī)械抓手主要由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空間二自由度的運(yùn)動(dòng)。

4 機(jī)器人整機(jī)組裝與調(diào)試

4.1 整機(jī)組裝

將各模塊通過(guò)預(yù)留的接口組裝在一起構(gòu)成了機(jī)器人整機(jī)，總質(zhì)量1560g，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。

4.2 整機(jī)調(diào)試

（1）減震問(wèn)題。

初步設(shè)計(jì)為四輪獨(dú)立減震，但調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，四輪獨(dú)立減震方案存在空間浪費(fèi)，減震裝置與機(jī)架結(jié)合不好，高速震顫等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合本設(shè)計(jì)特點(diǎn)，大膽取消了前輪避震裝置，僅保留后輪避震裝置，以此保護(hù)較為重要的后半部車(chē)身上的電氣設(shè)備。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，減震問(wèn)題得到解決，整機(jī)性能也得以優(yōu)化。

（2）高速難控制、低速不穩(wěn)定問(wèn)題。

初步設(shè)計(jì)選用無(wú)刷無(wú)感電機(jī)，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在通過(guò)障礙、對(duì)抗攻擊、搶奪物料時(shí)由于啟動(dòng)與運(yùn)行速度過(guò)快，造成前輪翹起，不易控制，但無(wú)刷無(wú)感的電機(jī)在低速時(shí)，由于動(dòng)力輸出問(wèn)題導(dǎo)致車(chē)體劇烈抖動(dòng)。該矛盾問(wèn)題總結(jié)為：高速難控制，低速不穩(wěn)定。故改選無(wú)刷有感的電機(jī)，這種電機(jī)在低速時(shí)能夠保證良好的穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)將初步設(shè)計(jì)的輪胎改為直徑10.5cm的RC1/10全地形車(chē)胎，提高抓地能力的同時(shí)也增加了穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)、制作并調(diào)試了一款工程越野對(duì)抗機(jī)器人，兼具越野、對(duì)抗和物料抓取功能。實(shí)踐證明，控制模塊動(dòng)力強(qiáng)勁；轉(zhuǎn)向模塊靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)；抓取模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)；控制模塊可靠性好、穩(wěn)定性高。經(jīng)過(guò)調(diào)試，解決了整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的減震問(wèn)題與高速難控制、低速不穩(wěn)定問(wèn)題，優(yōu)化和提升了整機(jī)性能。該設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試過(guò)程也為相關(guān)領(lǐng)域研究提供了很好的借鑒。

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