彭楷文，李慶超

(1. 南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003； 2. 南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

機器人技術融合了智能控制、電子設計、計算機等多學科的技術[1]。機器人賽事是青少年創(chuàng)新教育的重要手段， 我國近年來也開始出現(xiàn)了各種機器人的比賽，尤其格斗機器人比賽具有很高的觀賞性，也能提高學生的動手和創(chuàng)新能力，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)了青少年人才[2]。本文所設計的格斗機器人針對的比賽規(guī)則是在比賽規(guī)定場地內(nèi)，與對手機器人進行“暴力”對抗，在比賽時間內(nèi)攻擊對手，使對手不能自由移動或將對手推下比賽場地為勝。本設計采用了一款基于Arduino的遙控格斗機器人，通過對于軟硬件和機械結構的創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了較好的控制和攻擊效果，遙控格斗機器人的實物圖如圖1所示。

圖1 遙控格斗機器人的實物圖

1 機器人的系統(tǒng)框架

機器人的系統(tǒng)框架如圖2所示，格斗機器人主要有電源模塊、主控制器模塊、電機驅動模塊、直流減速電機、格斗武器、遙控手柄等模塊組成。電源模塊采用12 V、2 200 mAh的鋰離子電池，為整個格斗機器人系統(tǒng)供電；主控制器模塊采用Arduino MegaPi控制板，為整個系統(tǒng)提供決策信息；電機驅動模塊采用L298N模塊，用來驅動電機和風扇武器；電機用的是12 V、200 r/min的直流減速電機，采用四驅來驅動機器人，利用差速進行方向的控制；格斗武器主要是放置于機器人上方的風扇武器，依靠電機的高速旋轉帶動武器從而產(chǎn)生慣性力量來攻擊敵方；遙控手柄利用2.4 GHz頻段的ZigBee無線通信來遙控小車運行與進行攻擊，采用nRF24LE1作為處理主芯片進行無線數(shù)據(jù)傳輸，通信波特率設置為115 200 bps[3]。

2 硬件設計

系統(tǒng)采用12 V的直流電源進行供電，主控制板采用Arduino Megapi控制板，它具有54路數(shù)字輸入/輸出端口，其中有16路可作為PWM輸出，滿足設計的需要，將主控板的PWM輸出引腳與驅動板進行電氣連接[4]。在各種電機驅動模塊中，L298N模塊有2個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，具有過電流保護的功能，同時可以驅動2個直流電機，因此本設計選用L298N驅動模塊來驅動直流電機。因為武器的質量約2 kg，普通的直流減速電機轉矩小，無法帶動，因此選擇了汽車用的水箱冷氣風扇電機，轉速可達1 000 r/min，對敵方有很強的進攻性。本設計將Arduino控制板的控制引腳連接至L298N驅動板的信號端，驅動板的輸出端與直流電機連接，用于控制直流電機轉動狀態(tài)，其輸入輸出邏輯關系如表1 所示，使能ENA后，通過設置IN1、IN2端口即可控制直流電機的運行。若要對直流電機進行PWM調(diào)速，需設置IN1端口和IN2端口，確定電機的轉動方向，然后對IN1端口和IN2端口輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速[5]?？刂品绞郊爸绷麟姍C狀態(tài)如表1所示。

圖2 機器人的系統(tǒng)框架圖

表1 L298N輸入輸出邏輯關系表

3 軟件設計

主控制板采用的是Arduino MegaPi控制板，MegaPi是一款基于 ATmega2560 芯片的主控板，采用的是 Arduino IDE編程，編程語言是C語言。軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

控制的主程序首先初始化2.4 GHz頻段的ZigBee無線通信程序setup()，通信波特率設置為115 200 bps。隨后進入循環(huán)控制程序loop()，根據(jù)操作者的手柄遙控操作，控制機器人小車的行駛，接近敵方準備進攻。當操作者判斷機器人小車將要接近敵方時，遙控啟動風扇武器，當接近敵方時，利用風扇武器旋轉產(chǎn)生的慣性力擊打破壞敵方，使得敵方無法自由移動或者被擊打出場地，即可贏得比賽的勝利。

4 格斗武器

格斗機器人最重要的是進攻武器，現(xiàn)在主流的輕量級的格斗機器人進攻方式包括鏟翻敵方、錘擊敵方等，本設計選擇的是依靠電機帶動武器的高速旋轉產(chǎn)生慣性力量來攻擊對方，同時武器在旋轉中也可以抵御敵方的進攻來進行防守。由于一般格斗機器人都有質量和長度的限制，筆者所參與的比賽是要求機器人的所有部件的垂直投影都必須在直徑為350 mm的圓內(nèi)，機器人的質量不得超過5 kg(含電源)，因此設計的風扇武器的長度為342 mm，由于所用材料為不銹鋼體，因此參照遙控格斗機器人的實物圖1，將武器部分切割鏤空以減少質量滿足比賽的設計要求。風扇負載的武器機械部分設計圖如圖4所示。

圖4 風扇武器機械設計圖

由于武器旋轉所需要的電機的轉矩和功率較大，其轉速可達1 000 r/min，經(jīng)實驗在轉動狀態(tài)下負載武器產(chǎn)生的慣性力具有很強的進攻性。由于它是1種單向異步電機，單相電機流過的單相電流不能產(chǎn)生旋轉磁場，需要串聯(lián)1個啟動電容來分相，目的是使2個繞組中的電流產(chǎn)生近于90°的相位差，以產(chǎn)生旋轉磁場[6]。

5 武器堵轉與攻防應對策略

由于設計所采用的攻擊方式是依靠風扇武器的旋轉所產(chǎn)生的慣性力，所以當風扇電機擊打到敵方時，很有可能會遇到無法一次擊壞對方并且電機堵轉的情況，這樣容易造成電機瞬時電流增大，容易燒毀電機[7]。為此，可以先后退避讓對方，同時武器采取反轉一次擊打，正轉一次擊打的策略來進攻敵方機器人，經(jīng)實戰(zhàn)檢驗可以有效避免堵轉損壞武器電機，同時取得擊打敵方的效果。為此，當遇到這種情況時特意設置手柄MODE按鍵程序如下：

if (MePS2.ButtonPressed(MeJOYSTICK_MODE)) {

Stop_left(); //差速回退躲避

MoveBackward_right(Speed5);

TurnBackward(Speed5); //風扇武器反轉一次

Delay(5);

TurnForward (Speed5); //風扇武器正轉一次

Delay(5);

}

根據(jù)實驗和測試經(jīng)驗，總結了攻防策略如表2所示。

表2 攻防策略表

6 結語

針對遙控格斗機器人，介紹了格斗機器人的系統(tǒng)框架、軟硬件設計和格斗武器的設計。經(jīng)過機器人格斗比賽的檢驗，展現(xiàn)了較強的攻擊和防守能力。在這個機器的時代，相信在未來，機器人會使我們的生活更加智慧，給我們的生活帶來更多的樂趣，給人類社會帶來更大的便利和新的科技革命。