摘要：本文根據(jù)2022年第二十一屆全國大學(xué)生機器人比賽ROBOTAC大賽中對輪式機器人的設(shè)計要求，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出一種軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案，經(jīng)實踐驗證，該方案不僅越障能力強，氣鏟結(jié)構(gòu)快速鉗制對手機器人，防側(cè)翻功能良好，具備較強格斗能力，并輕松完成投擲火炬的任務(wù)的多種功能。

關(guān)鍵詞：ROBOTAC；輪式機器人；越障；氣鏟；格斗

一、引言

2022年第二十一屆 ROBOTAC 賽事以“亞運榮耀”為競賽主題[5]。ROBOTAC 是紅、藍(lán)兩方機器人在規(guī)定場地上的攻防對抗比賽。比賽過程中機器人可以穿越障礙并相互攻擊，率先達成速勝條件或在比賽結(jié)束時得分多的一方獲勝。當(dāng)一方機器人獲取到己方的火種并點燃場地中央的大火炬時該方立即取得比賽勝利。每支參賽隊最多可以有 1 臺自動機器人和 5 臺手動機器人，所有上場機器人總重量不得超過60kg?？傊匕茉春蜋C器人所有部件的重量。

每臺輪式機器人的尺寸不超過600mm×600mm×750mm （比賽過程中任何時刻展開的最大尺寸）。

根據(jù)這些設(shè)計要求，本文設(shè)計機器人屬于賽制機器人中的輪式機器人，氣鏟為攻擊機構(gòu)，抓取機構(gòu)完成火種抓取和運送，投放機構(gòu)將火種投送到大火炬盤中，還有一些機構(gòu)完成輔助爬坡和被攻擊倒地之后的處置位置復(fù)原任務(wù)。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，機器人硬件控制系統(tǒng)分為微控制器、電調(diào)，接收器及執(zhí)行機構(gòu)等。接收器負(fù)責(zé)接收遙控器的指令信號并傳遞給微控制器，微處理器對接收到的指令解析并迅速傳遞給對應(yīng)的執(zhí)行單元，比如電調(diào)，電調(diào)再負(fù)責(zé)驅(qū)動四個電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。傳感器及執(zhí)行機構(gòu)為攻擊機構(gòu)和抓取機構(gòu)的感應(yīng)和執(zhí)行元件。

三、器材選型

（一）電機選型

根據(jù)市面上有刷和無刷電機的優(yōu)缺點，再根據(jù)比賽規(guī)則，機器人須達到5m/s的移動速度，轉(zhuǎn)矩達到20N.m以上。計算轉(zhuǎn)速：輪胎直徑120mm，求得周長約380mm，為達到5m/s的速度，電機轉(zhuǎn)速需要9r/s，也就是約500/M。計算減速比，選用FAULHABER CRnbsp; 3257G024CR直流無刷微電機，24V供電電壓，空載轉(zhuǎn)速為5900/M，最大轉(zhuǎn)速7000/min，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩斜率/min/mNm，轉(zhuǎn)速常數(shù)為253min/V。

（二）電調(diào)

又稱為電子調(diào)速器，英文名稱為Electronic Speed Control，簡稱ESC。

該器件有“電流控制”作用，因其內(nèi)部電路有一套MOSFET管。當(dāng)電流輸入該部件，內(nèi)部電路接收來自接收機的信號，根據(jù)信號，對電流進行合適的“控制”，把“控制”后的電流送達馬達，從而控制電機的啟動、停止和不同的運行速度。 對于控制部分，電調(diào)在單位時間內(nèi)開關(guān)的次數(shù)被控制信號控制。按照所選擇電機的類型，電調(diào)分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)；有刷電調(diào)是直流輸出。無刷電調(diào)是把穩(wěn)壓電源供電或者鋰電池供電的直流電轉(zhuǎn)換成為3相交流電。

電調(diào)的選擇一定要看選擇電調(diào)的功率，還要考慮電機與電調(diào)的兼容性。例如：10S Lipo 20A左右的負(fù)載，一般選擇10S 40A 電調(diào)；2-3倍的余量。

電調(diào)的輸入線與電池連接；有刷電調(diào)兩根輸出線，無刷電調(diào)三根輸出線，均與電機連接；電調(diào)的信號線需與接收機連接。電調(diào)的輸出可以提供給三～四個舵機供電。

綜上所述，本機器人系統(tǒng)選用無刷電調(diào)模塊為 HLW XXD-30A。

（三）電磁閥選擇

電磁閥（Solenoid valve）在本設(shè)計中，用作開關(guān)，用于將空氣輸送到氣動設(shè)備。

本機器人選用電磁閥控制攻擊機構(gòu)鏟子，用于從地上鏟起對手機器人并掀翻，控制鏟子大約70度的活動范圍，另外也需要控制火種投射機構(gòu)，將火種投射到750cm的高臺上，故電磁閥選擇二位五通電磁閥AIRTAC 4V110-06，DC12V，2.5W。

（四）舵機選擇

舵機是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各控制舵機以控制飛行器的飛行姿態(tài)，最早應(yīng)用于航模運動中。本文設(shè)計的移動機器人很多關(guān)節(jié)精密的動作，均是通過驅(qū)動舵機實現(xiàn)的。具體是通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理進行的。8個舵機選擇 RDS51150" ROBOT DIGITAL SERVO，150kg" "10-12.6v供電。

（五）控制器選擇

本文中機器人充分考慮需要控制的外設(shè)及執(zhí)行機構(gòu)的情況下，最終控制器選型為 STM32F1032ET6 ，該控制器可以方便地進行調(diào)整占空比的 PWM 波形設(shè)置。從而可以方便地達到無刷直流電機的控制需求?？刂破鱏TM32F1032ET6的優(yōu)點有：高性能、低功耗、低成本，其資源基本上滿足設(shè)計需求。

（六）驅(qū)動模塊

機器人驅(qū)動模塊作為連接控制信號和執(zhí)行器件的中間部件，以控制信號模塊作為輸入，輸出大電流信號供給直流電機，同時需要獨立的電源模塊給驅(qū)動模塊供電。L298N 是一種雙 H 橋電機驅(qū)動芯片，單個 H 橋即可提供 2A 的電流，功率驅(qū)動部分供電電壓支持2.5-48v，5v供電提供給邏輯控制部分。實際使用時，為使芯片可以正常工作，功率部分的電壓應(yīng)大于 6V，取7.6V 。本設(shè)計的驅(qū)動電路采用L298N驅(qū)動模塊電路，選用ST公司的L298N芯片符合電路的高性價比要求，能夠使電路得到穩(wěn)定工作。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，為機器人系統(tǒng)軟件控制邏輯示意圖，微控制器寄存器初始化后，等待接收來自遙控接收器的指令，若接收到機器人運動的指令，則根據(jù)指令處理不同的電調(diào)去驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，帶動輪子將機器人帶到理想?yún)^(qū)域。若接收到執(zhí)行機構(gòu)的指令，比如氣鏟動作，則進入氣閥的控制子程序。若是被推倒，需要翻身起來，則調(diào)用子程序控制舵機合理運轉(zhuǎn)，直至恢復(fù)初始狀態(tài)。若是接收到夾取物品指令，則調(diào)用響應(yīng)子程序處理。每處理完一個動作或完成一個任務(wù)，就等待新的指令送達并解析，如此循環(huán)。

五、聯(lián)合調(diào)試

本設(shè)計軟件采用多個功能模塊組合而成，由主程序模塊、無線收發(fā)子模塊、電機驅(qū)動子模塊、翻身舵機處理子模塊、氣鏟動作處理模塊、火種發(fā)射動作子模塊等組成，協(xié)同完成移動機器人的工作?？刂栖浖捎肒EILμVISION平臺，在移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，對于系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試工作主要是根據(jù)軟件控制系統(tǒng)功能單元模塊，逐個功能實現(xiàn)，逐個功能結(jié)合硬件調(diào)試，主程序?qū)崿F(xiàn)之后，比如測試防側(cè)翻功能模塊，就聯(lián)合無線收發(fā)和翻身處理子模塊功能，調(diào)試下載，看是否能完成預(yù)期。比如火種發(fā)射模塊，在主程序模塊中，先屏蔽其它功能，單就觸發(fā)火種發(fā)射動作按鈕，結(jié)合硬件，觀測是否達到預(yù)期功能。按照這個思路，最終所有子功能模塊一起呈現(xiàn)，再進行軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)問題，及時修正。直到功能流暢，結(jié)束調(diào)試工作。實物如圖3所示。

六、機器人運行數(shù)據(jù)

設(shè)計的移動機器人如圖4所示，將設(shè)計實現(xiàn)的機器人按照設(shè)計任務(wù)實踐，充滿1.5MPa的5升氣體，從出發(fā)點出發(fā)，多個機器人配合，這款機器人的任務(wù)就是接過從對方奪得的火種，翻越峽谷區(qū)，其中有對方機器人圍追堵截，這過程中需要打斗，還可能會側(cè)翻，需要自己糾正動作歸位。爬過圖4峽谷區(qū)標(biāo)號處的45°傾角的斜坡，在峽谷區(qū)中間，機器人要將火種投入大火炬，大火炬的燃料盤口距地面高約 750mm，經(jīng)過20次測試，此款機器人成功率100%。

這款機器人的功能設(shè)計考慮全面，尤其在攻克爬斜坡難點時，電機選型得當(dāng)，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，重心調(diào)配得當(dāng)，上斜坡成功率能達到95%。為在比賽中獲得好成績奠定了基礎(chǔ)。

七、結(jié)束語

本設(shè)計采用STM32F1032ET6單片機作為微控制器，為滿足參賽要求，設(shè)計出能滿足比賽需要的功能模塊，進而能夠?qū)崟r遠(yuǎn)程控制機器人的各種功能，為移動機器人的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，為第二十一屆全國大學(xué)生機器人比賽ROBOTAC比賽的重要角色。設(shè)計的機器人除了能用于比賽外，其良好的各種地形適應(yīng)能力，還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、消防、林業(yè)等應(yīng)用場景中進行環(huán)境監(jiān)測或特定任務(wù)。還可以用于高校機器人相關(guān)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新課堂，提高興趣，發(fā)揮想象，優(yōu)化功能，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供一個渠道，也是一個很好的載體。

作者單位：陳春先 張驍芃 段一龍 于書豪 崔俊" 王嘉璇 周楊 北京電子科技職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院

參" 考" 文" 獻

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論文依托項目：北京電子科技職業(yè)學(xué)院校級重大課題“雙高——機器人應(yīng)用技術(shù)研究” 項目編號：2022X007-KX。

陳春先（1978.10-），女，回族，河南南陽，研究生，講師，研究方向：服務(wù)機器人。

其他作者均為機器人學(xué)生創(chuàng)新社團成員。