郭凱　胡海賓　髙程博　朱煜銘　唐亮

摘 要

RoboMaste2020全國大學生機器人大賽必備兵種工程機器人，工程機器人的抓彈平臺結構是否穩(wěn)定是影響戰(zhàn)隊能力的一個重要因素，設計一套穩(wěn)定的抓彈平臺是工程機器人的關鍵。根據(jù)比賽規(guī)則，利用SolidWorks軟件進行對抓彈平臺的運動仿真，通過keil軟件編程來控制車體和抓彈機構運動及完成變形動作，以獲得穩(wěn)定、快速的抓彈平臺。本篇主要講述機械結構的設計原理和思路，電氣控制的邏輯和框架以及執(zhí)行的綜合性分析。通過軟件控制和機械結構的結合，通過恰當?shù)膫鞲衅骱瓦壿嫿Y構實現(xiàn)控制機器人完整運動。

關鍵詞

Solidworks軟件;運動仿真;電氣控;邏輯分層結構;氣動控制板;CAN總線;控制邏輯

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.016

0 引言

ROBOMASTER全國大學生機器人大賽要求各個參賽隊獨立制作多個機器人參與團隊競技。根據(jù)比賽規(guī)則，參賽團隊需要制作工程機器人，由工程機器人搭載一套抓彈平臺，通過穩(wěn)定而且恰當?shù)乃惴刂七壿媮韺崿F(xiàn)獲取資源島上的42mm大彈丸。

1 資源島結構分析

由于工程機器人在2020賽季中可以安裝發(fā)射機構，要實現(xiàn)所有功能就要求抓彈平臺設計得盡量小、輕。資源島位于賽場的中心位置，高度為700mm、長寬均為700mm，上表面均布有九個下沉100mm、長寬均為210mm的沉孔。

資源島上的九個彈藥箱分別位于九個沉孔內(nèi)，每個彈藥箱中裝有20顆42mm彈丸，總重量約為2100克。抓彈平臺的作用是將位于沉孔內(nèi)的彈藥箱內(nèi)的彈丸搬運到工程機器人中設置的彈倉內(nèi)，并且將空彈藥箱拋出，讓彈藥箱不影響工程機器人的運動。

根據(jù)團隊需求，抓彈平臺要實現(xiàn)六個彈藥箱的連續(xù)抓取，以及在抓取彈丸的同時，能夠交接彈丸的能力。因此決定：

①抓彈平臺的動力源采用氣缸驅(qū)動。因為氣動具有檢修維護簡單，對環(huán)境的適應性好、有正、反作用功能、整體結構簡單，可動部件少，對震動不敏感等優(yōu)點。

②在抓彈平臺的活動關節(jié)使用滑軌。為了實現(xiàn)六連抓的功能，抓彈平臺設置有向上抬升達到可以抓取彈丸的高度，向前伸，達到可以抓取第二排的彈丸的距離，向左和向右平移，達到可以抓取左右兩邊的彈丸。添加滑軌可以使活動的關節(jié)的摩擦力減小，增加關節(jié)的活動線性和活動精度。

③抓彈平臺中的機械爪動力源使用兩個回轉(zhuǎn)氣缸。該氣缸在0.8兆帕的氣壓下可以產(chǎn)生3N/m的扭矩，可以滿足抓取彈藥箱的動力需求。

2 各個活動關節(jié)設計

2.1 升降關節(jié)

根據(jù)比賽規(guī)則，在整車尺寸不超高的情況小，同時降低整車的重心，所以抓彈平臺必須要有一段升降機構來保證實現(xiàn)上訴要求，升降關節(jié)作為抓彈平臺的最低端必須是穩(wěn)固且輕的，為了實現(xiàn)對其重量的要求，在對于驅(qū)動其升降的氣缸的選型十分重要，所以選擇在設計過程中在軟件中將每個零件都添加上對應的材料，以至于能夠在三維圖紙中能夠得到相對準確的重量，也便也控制整車的重量。

為實現(xiàn)整個抓彈平臺能夠穩(wěn)定的上下運動，選擇在抓彈平臺的四個角落分別放置一個氣缸，經(jīng)過多次測試之后結構仍然穩(wěn)定，在升降關節(jié)的活動機構使用氣缸推動，使得結構設計比較簡單，穩(wěn)定、易維修。

2.2 平移關節(jié)

要實現(xiàn)六連抓功能，就要將抓彈平臺上面搭載的機械爪移動到需要抓取的彈藥箱前面，根據(jù)資源島上彈藥箱的布局，需要將機械爪向前平移和向左向右平移，一共有六個位置，在左上和右上的兩個位置是抓彈平臺位移最大的情況。

為滿足整個抓彈平臺重量輕、結構穩(wěn)的總體要求，在承重結構中選擇20mm×20mm×1.5mm的鋁方管和20mm×10mm×1mm的鋁方管相結合，在左右平移關節(jié)中使用20mm×20mm×1.5mm搭建的剛性矩形結構，在前伸的關節(jié)中選擇20mm×10mm×1mm搭建的剛性矩形結構。

在結構設計的過程中利用SolidWorks軟件進行有限元分析，得出該結構在最大位移時，最大形變小于10mm，符合設計要求。

2.3 機械爪關節(jié)

機械爪作為整套抓彈平臺最重要的部分，也是抓彈平臺的難點，機械爪需要實現(xiàn)的功能是，夾緊彈藥箱并將其進行翻轉(zhuǎn)，使彈藥箱中的彈丸能夠落到工程機器人所攜帶的彈倉中。

使機械爪翻轉(zhuǎn)的執(zhí)行機構選擇的是回轉(zhuǎn)氣缸，結構簡單且電氣控制的調(diào)試也相對簡單。機械爪的長度對于翻轉(zhuǎn)的速度有很大的影響，在彈藥箱重量確定、回轉(zhuǎn)氣缸扭矩不變的情況下，機械爪越長，其結構的力臂越長，翻轉(zhuǎn)的速度越慢。在多次更改結構的情況下把翻轉(zhuǎn)中心盡量靠近資源島，縮短翻轉(zhuǎn)中心到資源島的距離，進而縮短力臂。

為了能夠把下沉100mm，長寬高均為200mm的彈藥箱從沉孔中抽出，有三種解決辦法：

①增加機械爪長度，使其能夠抓取彈藥箱的大部分，減小彈藥箱與沉孔內(nèi)壁的摩擦，能夠緩慢地將彈藥箱從沉孔中抽出。這個方法通過多次實驗得知其最快速度也不能滿足比賽要求，而且這種結構的機械爪及其不穩(wěn)定，在實驗中時常會出現(xiàn)不能將彈藥箱從沉孔中抽出的情況。

②在機械爪的最前端設計一個能夠旋轉(zhuǎn)的機構，機構中主要使用兩個推力球軸承，在加夾緊彈藥箱的同時能夠使彈藥箱可以被動地旋轉(zhuǎn)，可以讓彈藥箱在離開沉孔的過程中保持彈藥箱側面與沉孔內(nèi)壁相對平行的狀態(tài)，或者與沉孔內(nèi)壁只是小范圍的接觸，產(chǎn)生的摩擦力不影響彈藥箱從沉孔抽出。

第二種方法在SolidWorks軟件中進行運動仿真的過程中是可以完成從沉孔中抽出彈藥箱的動作的。但是在用實物的實驗中卻出現(xiàn)了不能使彈藥箱抽出沉孔的情況，這個情況主要出現(xiàn)在實驗后面的階段。

在實驗結果的分析中得出出現(xiàn)這樣的情況的原因為：

①機械爪前端用于旋轉(zhuǎn)的推力球軸承受損，導致彈藥箱不能被動的翻轉(zhuǎn)。

②機械爪實驗次數(shù)過多造成的機構損壞，其形變超過了或接近了允許的最大形變。由此得出第二種方法能夠使彈藥箱從沉孔中抽離，速度較第一種方法有很大的提升，成功率達到80%，但是也體現(xiàn)了這種結構易壞、對整個機械爪損傷較大、成功率達不到比賽要求。

③在第二種結構的基礎上增加一個將機械爪抬升的結構，相當于將沉孔的深度減小一段距離，讓彈藥箱在翻轉(zhuǎn)的過程中減小接觸沉孔內(nèi)壁的概率，在對該結構進行運動仿真進行分析時得出將機械爪抬升30mm即可達到預期的效果。

在實際的實驗過程中結合電氣控制可以非常流暢的將彈藥箱從沉孔中抽離，在氣壓穩(wěn)定的情況下成功率可以達到100%，實驗結果完全符合預期要求。

3 工程機器人抓彈平臺邏輯分析

針對工程機器人的氣動機械結構特性，使用氣缸完成變形運動，主要包括左右橫移，向前伸縮，還有抓彈運動，控制邏輯相對會比較清晰和簡單，不涉及較難算法。簡單來說，邏輯的控制部分大體可以分為三層：命令發(fā)送層、命令分類層、命令執(zhí)行層。

除此之外，氣動板還集成了一些傳感器開關和接口，氣動機器人與電動的機器人不同，電動機器人可以通過電機的返回數(shù)據(jù)來確定具體達到的位置和狀態(tài)，以此來判斷運動的完成性和是否出現(xiàn)了錯誤等一系列問題。但是電動機器人要通過一些傳感器來確定機器人的運動機構運動狀態(tài)。

4 工程機器人抓彈平臺邏輯設計

4.1 氣動的控制邏輯

①命令發(fā)送層：此層邏輯主要在主控上面完成，主控主要起的作用為，運行抓彈邏輯，換句話說，所有的抓彈邏輯的控制都會在主控都會在主控上面分類執(zhí)行，一箱，三箱等等。

而邏輯執(zhí)行次序也是主控掌握，因此，相應的動作位置執(zhí)行相應的命令，再通過CAN總線發(fā)送到相應的自制氣動控制板上。

②命令分類層：命令分類的動作完成就是通過識別總線上不同氣動控制板的ID來進行命令的分類。

氣動控制的命令分類是具有重要意義的，通過分類不同ID的命令，針對不同類的動作，使邏輯的控制更簡便，代碼通用性更強，可移植性和可維護性更強。如圖是氣動的控制邏輯。

③命令執(zhí)行層：命令執(zhí)行層的邏輯是在每個單獨的氣動板上完成的，通過CAN通信發(fā)送的一系列氣動板數(shù)據(jù)接收后，對應的氣動板ID會接收對應的數(shù)據(jù)，達到一個信息篩選的作用，然后將篩選出來有用的信息進行處理，最后對每個電磁閥會達到一個控制的作用，進而達到動作的執(zhí)行目的。

4.2 傳感器的控制

氣動控制板會集成一些傳感器接口和硬件設置來判斷車的變形運動狀態(tài)和氣缸的狀態(tài)。主要有開關量傳感器（光電開關、磁性開關）和采集模擬數(shù)據(jù)傳感器。

④開關量傳感器：通過開關量傳感器來判斷氣缸的運動到位與否，然后氣動板將傳感器數(shù)據(jù)整合，最后統(tǒng)一由CAN發(fā)回主控作處理。

⑤采集數(shù)據(jù)類傳感器：此類傳感器主要有角度傳感器，線位移傳感器等等，氣動控制板集成了ADC芯片，可以直接對所需的模擬數(shù)據(jù)進行采集，采集后的數(shù)據(jù)同樣通過CAN通信發(fā)回主控板。

5 總結

通過SolidWorks軟件設計抓彈平臺，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)結構中的錯誤，通過使用其自帶的分析軟件，基本可以得出我們想要的分析結果，根據(jù)分析結果，在對結構進行改進、實驗、測試、再改進，使結構最終可以達到比賽的標準。

工程機器人的變形運動部分主要依靠氣動板數(shù)據(jù)的輸出和輸入來完成氣缸的穩(wěn)定工作。通過傳感器的數(shù)據(jù)反饋確定運動是否按照程序來執(zhí)行，一旦出現(xiàn)錯誤，傳感器數(shù)據(jù)不能對應，則會進入一個錯誤函數(shù)，通過此錯誤函數(shù)來做出相應處理，這里我們的處理是進行最短安全動作的復位，然后通過操作手決定是否重新執(zhí)行該動作。

在設計抓彈平臺的過程中，提高的不僅僅是結構設計的能力，還有發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，因此我們在設計過程中遇到困難要考慮周全，從根本上解決問題。

抓彈平臺中的結構不僅僅只是用于比賽，其中很多的知識點可以運用實際生活中，通過比賽來激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習能力。

參考文獻

[1]張晶，王桂山.利用兩組線性滑軌實現(xiàn)同步升降和擺動，機械研究與應用，2012（02）.

[2]鄭紅.直線滾動導軌的選型與承載壽命計算，價值工程，2020（02）.

[3]馬智英，路平.鋼框架結構設計的相關要點，工程建設與設計，2020（01）.

[4]崔靜.自動乒乓球發(fā)球機設計及其控制系統(tǒng)的研究.中南大學，2007-06-30.

[5]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[6]滿紅，梁迎春，冀勇鋼等.自動控制原理.清華大學出版社.

[7]鐃運濤，王進宏.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術.北京航空航天大學出版社.