劉疏桐，張瑞志，吳振豪，阮永鋒

（沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽，110136）

RoboMaster 機甲大師賽[1]是由共青團中央、全國學聯(lián)、深圳市人民政府聯(lián)合主辦，DJI 大疆創(chuàng)新發(fā)起并承辦的機器人賽事，作為全球性的射擊對抗類的機器人比賽，在其誕生伊始就憑借其顛覆傳統(tǒng)的機器人比賽方式、震撼人心的視聽沖擊力、激烈硬朗的競技風格，吸引到全球數(shù)百所高等院校、近千家高新科技企業(yè)以及數(shù)以萬計的科技愛好者的深度關(guān)注。

哨兵是賽場上唯一的全自動機器人，對地面機器人進行反擊，它有一個發(fā)射機構(gòu)，可以發(fā)射17mm小彈丸，通過控制云臺電機實現(xiàn)在一定的角度范圍內(nèi)俯仰運動；同時也有移動機構(gòu)，可以在軌道上做定向運動。為了提高哨兵在新賽季[2]的表現(xiàn)，本文主要研究哨兵在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提出一些優(yōu)化方法。

1 雙云臺設(shè)計

為了規(guī)避敵方機器人的攻擊，需要哨兵能夠快速的運動，可以在軌道上設(shè)計兩個云臺[3-4]。新賽季對哨兵的要求變化較大，軌道形狀改為直軌道，在設(shè)計哨兵底盤上的輪系組合時可以做相應(yīng)的改變，增加一個發(fā)射機構(gòu)，由于哨兵的整體尺寸有一定的限制，需要合理布置兩個云臺的位置，最大限度的發(fā)揮哨兵的反擊能力，但發(fā)射機構(gòu)的增加，必然會導致整體的重量增加，所以還要想辦法合理減輕整體的重量，使哨兵可以更加迅速的在軌道上進行移動，更好的規(guī)避敵方機器人的攻擊。

2 加強哨兵的攻擊能力

哨兵的攻擊能力是大賽取勝的關(guān)鍵，也是影響哨兵性能的主觀因素。為了提高哨兵的攻擊能力，我們在大賽設(shè)備的設(shè)計和制作的過程中，重點研究了新云臺的設(shè)計制作，以及如何布置兩個云臺，如何減輕云臺發(fā)射機構(gòu)的重量，提高反擊效率。

（1）新云臺的設(shè)計

由于上賽季的哨兵只有一個掛載在底盤下方的下云臺，所以另外一個云臺要重新設(shè)計制作。而且我們把另一個云臺的安裝位置定在軌道上方，因此新云臺的設(shè)計要符合上云臺的這一角色設(shè)定，更多的任務(wù)是防空，地面的火力更多的交給下云臺去進行處理。

（2）移動的穩(wěn)定性

比賽中哨兵的移動靠的是一個主動輪，并在兩側(cè)用兩個輔輪夾緊軌道。但是在一場比賽下來，兩側(cè)的輔輪可能會打滑，撇向一側(cè)，影響機器人的規(guī)避速度和射擊精度，甚至會損壞機器人結(jié)構(gòu)。我們通過反復的實踐并修改輔輪結(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，找了出一套穩(wěn)定的方案。

（3）整體的輕量化和可靠性

在加入了上云臺后，哨兵整體重量增加了近一倍。上賽季的哨兵以規(guī)避為主，反擊為輔，新賽季的哨兵上就恰恰相反了，但也不能忽視了規(guī)避的重要性。通過對一些機械結(jié)構(gòu)的簡化和材料的選擇優(yōu)化，并對關(guān)鍵的部位進行應(yīng)力分析，在減輕重量的同時也能保證可靠性。

3 哨兵機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了加強哨兵機器人的攻防能力，我們對強哨兵機器人的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過solidworks建模，adams和matlab聯(lián)合仿真，單片機調(diào)控，并加入視覺技術(shù)，我們完成了新賽季哨兵的初步設(shè)計，設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 哨兵設(shè)計圖

(1)采用“三面包夾”輪系結(jié)構(gòu)

底盤結(jié)構(gòu)放棄傳統(tǒng)的四面包夾結(jié)構(gòu)，因為重力的原因，底面的包夾輪系實際上是一個虛約束，在哨兵巡航時，可能會給側(cè)面的輔輪施加過大的壓力，損壞結(jié)構(gòu)。所以去除底部輪系，只保留上左右三面包夾，如圖2所示。且左右兩組輪系上裝有彈簧，可以在一定范圍內(nèi)相對轉(zhuǎn)動，保證了哨兵安裝和巡航時的可靠性，如圖3所示。

圖2 “三面包夾”輪系結(jié)構(gòu)

圖3 彈簧連接（彈簧未畫出）

（2）新哨兵上云臺的設(shè)計

上云臺（如圖4所示）的任務(wù)主要是防空，同時也要求兼顧地面火力。為滿足這一要求，我們將上云臺的發(fā)射機構(gòu)位置前移，保證了發(fā)射槍口在pitch軸方向上有足夠的活動空間，俯仰角方案初步定為45度仰角，60度俯角（如圖5，圖6所示）。同時，為了保證pitch軸的響應(yīng)速度，云臺的彈艙也從上一代放在發(fā)射機構(gòu)上改為放在上云臺底板上，減輕了pitch軸絕大部分重量，目前的pitch軸基本可以做到無延遲響應(yīng)。

圖4 新哨兵上云臺

圖5 45度仰角

圖6 60度俯角

（3）環(huán)氧板榫卯

哨兵是一個需要輕量化的英雄，它的構(gòu)造基本由環(huán)氧板組成，板和板之間通過榫卯結(jié)構(gòu)完成一定強度的連接。榫卯結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓抗震的效果，用在了哨兵底盤的制作上，使哨兵底盤具有更好的承重能力，可以在運行中很好的將云臺倒掛，同時其自身不易發(fā)生形變，并實現(xiàn)簡單快捷的穩(wěn)定連接。

圖7 輕巧牢固的榫卯結(jié)構(gòu)

為了使哨兵整體輕量化，我們對機器人的材料結(jié)構(gòu)進行了分析篩選，最終選用了2mm和3mm的環(huán)氧板和碳板，價格經(jīng)濟，強度合適，并且基本避免了鋁管等金屬材料的使用，連接部分也大量采用輕巧牢固的榫卯結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。而且對于一些受力條件比較復雜的零件，為保證其材料的強度，我們特意做了應(yīng)力分析（如圖8所示），進而對零件的形狀進行優(yōu)化改進，保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖8 應(yīng)力分析

由于疫情的原因，五月的機甲大師賽改為線上進行，經(jīng)過幾輪線上答辯，我們的設(shè)計思路得到了教授專家的一致好評，最終獲得了2020賽季全國三等狀，哨兵組獲單項全國二等獎，隨著新冠疫情的基本控制，新學年開學后，我們將抓緊時間制作實物器件，爭取在21新賽季能取得更好的成績。