基于“鏟人”功能的相撲機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者/韓田翰，沈陽(yáng)市第二中學(xué)

基于“鏟人”功能的相撲機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者/韓田翰，沈陽(yáng)市第二中學(xué)

文章介紹了相撲機(jī)器人比賽的規(guī)則，針對(duì)常用相撲機(jī)器人在比賽中暴露的問(wèn)題，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)“斜鏟”這一推送機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)底盤，增加傳感器數(shù)量，改良車輪設(shè)計(jì)，全面提升相撲機(jī)器人的進(jìn)攻力和防御力。

相撲機(jī)器人；推送機(jī)構(gòu)；鏟人

越來(lái)越多的學(xué)校都有自己的機(jī)器人社團(tuán)和活動(dòng)，開(kāi)展各式各樣的機(jī)器人比賽。相撲機(jī)器人的比賽規(guī)則一般如下：場(chǎng)地為一空心圓，在場(chǎng)地的外側(cè)及內(nèi)側(cè)都有黑色的線，參賽雙方機(jī)器人在圓環(huán)形擂臺(tái)上角逐，根據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)被推下圓環(huán)形擂臺(tái)的次數(shù)累計(jì)計(jì)分。

比賽選手們通常將相撲機(jī)器人設(shè)計(jì)成如下形式：重錘型，遇到對(duì)手加力敲打；旋轉(zhuǎn)型，用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扳倒對(duì)手；撞擊型，大力沖向?qū)κ郑晦D(zhuǎn)向后面攻擊等。在比賽規(guī)則限制機(jī)器人重量和尺寸的情況下，這些機(jī)器人很難兼顧進(jìn)攻的攻擊力和防御力，有的在攻擊同時(shí)先被對(duì)手推翻，有的靈活但攻擊力不足。

為解決相撲機(jī)器人的進(jìn)攻力和防御力之間的矛盾，又不能超出規(guī)定的重量和尺寸，在不降低進(jìn)攻力的前提下保證防御力，設(shè)計(jì)一種能前后“鏟人”的相撲機(jī)器人。

1. 方案設(shè)計(jì)

如果比賽要求機(jī)器人自動(dòng)啟動(dòng)，可在主板上安裝一個(gè)聲控模塊。

在機(jī)器人的前方和后方都裝上光電傳感器，機(jī)器人在場(chǎng)地上緩慢移動(dòng)，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到黑色線條時(shí)說(shuō)明到達(dá)規(guī)定場(chǎng)地的邊界應(yīng)“退回”，可以控制機(jī)器人不走出邊界。這部分結(jié)構(gòu)未改動(dòng)。

為識(shí)別對(duì)手，原來(lái)的相撲機(jī)器人在前后左右四個(gè)方向安有4個(gè)避障傳感器。在此基礎(chǔ)上，在四個(gè)邊角位置再增加4個(gè)避障傳感器，可以更靈活地識(shí)別對(duì)手，有效監(jiān)控對(duì)手的實(shí)際位置。

當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)對(duì)方時(shí)，根據(jù)避障傳感器所在位置迅速調(diào)整機(jī)器人角度，使機(jī)器人前面或后面正對(duì)對(duì)手，全速前進(jìn)或后退，將對(duì)方機(jī)器人推下擂臺(tái)。在這個(gè)比賽中主要是考慮機(jī)器人的速度和重量，結(jié)合所有因素，設(shè)計(jì)方案如圖1所示，增加了具有“鏟人”功能的推送機(jī)構(gòu)。

圖1 相撲機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的相撲機(jī)器人如圖2，包括底盤、光電傳感器[1]、避障傳感器、微處理器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)。微處理器連接一個(gè)聲控模塊，用于相撲機(jī)器人的智能啟動(dòng)。

光電傳感器、避障傳感器、微處理器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均設(shè)置在底盤上。2個(gè)光電傳感器分別安裝在底盤的前方和后方，8個(gè)避障傳感器分布在底盤的前后左右邊以及四個(gè)邊角位置。傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均連接微處理器，微處理器連接推進(jìn)機(jī)構(gòu)，底盤的四周設(shè)置有傾斜的斜鏟，與地面呈45度角傾斜，緊貼地面。

圖2 改進(jìn)后的機(jī)器人外形

斜鏟是相撲機(jī)器人的關(guān)鍵部件，是與對(duì)方機(jī)器人頂牛時(shí)直接接觸的部件，具有整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗碰撞的特點(diǎn)，沖擊力大，便于進(jìn)攻；斜鏟能插入對(duì)手機(jī)器人底座與地面間的縫隙，使其失去重心，還能保護(hù)自身不輕易被對(duì)手翹起，防御力強(qiáng)。

3. 基本原理

3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人是由4個(gè)微型伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由聯(lián)軸器直接帶動(dòng)車輪行走。通過(guò)試驗(yàn)選用日本Namiki電機(jī)，型號(hào)22CL—3501PG，電壓12V，電流0.04A，轉(zhuǎn)速150RPM，出軸直徑4mm。依靠伺服馬達(dá)的兩個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩作為驅(qū)動(dòng)的來(lái)源，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向[2]。伺服馬達(dá)只要接受到位置指令，就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定位置。微型伺服馬達(dá)內(nèi)部由小型直流馬達(dá)、變速齒輪組、反饋可調(diào)電位器以及電子控制板構(gòu)成[3]，反饋可調(diào)電位器連接電子控制板，電子控制板連接微處理器，小型直流馬達(dá)連接電子控制板和變速齒輪組，變速齒輪組連接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪。這部分與原來(lái)相撲機(jī)器人結(jié)構(gòu)一致，只是在驅(qū)動(dòng)輪上纏繞了膠皮條，膠皮條呈梅花狀纏繞，突出于驅(qū)動(dòng)輪外緣面。這是為了增加驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力，從而增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力。

3.2 車體底盤設(shè)計(jì)

相撲機(jī)器人對(duì)重量及外形尺寸都有限制要求，所以車體底盤不能過(guò)長(zhǎng)與過(guò)重。設(shè)計(jì)底盤形狀及尺寸如圖3所示，選用1.5mm厚的鋁鎂合金材料。為了便于在底盤上安裝零部件，以及減輕本身車體的質(zhì)量，在車體底盤上平均鉆出多排小孔。

圖3 底盤設(shè)計(jì)圖

3.3 推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)改進(jìn)部分，由于相撲機(jī)器人比賽的對(duì)抗性，決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須有足夠大的扭矩。除此之外，還需要更強(qiáng)的防御與進(jìn)攻能力，設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示，相撲底板的零件圖如圖5所示，經(jīng)詢問(wèn)有關(guān)企業(yè)技術(shù)人員，建議零件材料使用Q235，焊接性能與強(qiáng)度都較好。

圖4 推進(jìn)機(jī)構(gòu)部件圖

推進(jìn)機(jī)構(gòu)由相同的4個(gè)相撲底板焊接為一體，保證車體的穩(wěn)定性及牢固性，底板斜鏟與水平地面形成45度角。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是：當(dāng)對(duì)手進(jìn)攻我方機(jī)器人時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)可以利用貼地底板的斜鏟將對(duì)手翹起，使其失去進(jìn)攻能力，我方機(jī)器人可以趁勢(shì)將對(duì)手推下擂臺(tái)。同理，當(dāng)我方進(jìn)攻對(duì)手時(shí)，也是利用該原理將其推下擂臺(tái)。正是“斜鏟”這一獨(dú)特設(shè)計(jì)，使本機(jī)器人進(jìn)攻力和防御力完美結(jié)合，多場(chǎng)比賽實(shí)踐證明效果奇佳。

圖5 相撲底板零件圖

3.4 車輪設(shè)計(jì)

原來(lái)的相撲機(jī)器人車輪用市面采購(gòu)的現(xiàn)成車輪進(jìn)行改造，車輪外皮是硬塑料套，硬度較高，而且與地面是點(diǎn)狀接觸，這樣車輪與地面的摩擦力就會(huì)減小。而相撲比賽要求機(jī)器人與地面的摩擦力越大越好，因此對(duì)車輪的改造重點(diǎn)就是打磨硬塑料套，用膠皮纏繞在塑料套上，這樣可以有效地增大車輪與地面的摩擦力，防止被對(duì)手機(jī)器人推出場(chǎng)地外。

4. 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的相撲機(jī)器人，在發(fā)現(xiàn)對(duì)手時(shí)，利用伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性，正面和后面具有同樣的進(jìn)攻力；根據(jù)8個(gè)方向的避障傳感器感應(yīng)對(duì)手迅速調(diào)整進(jìn)攻角度；利用特制的前后“斜鏟”將對(duì)手緊貼地面翹起使其重心失衡并推出場(chǎng)地外；四面的“邊鏟”外伸使機(jī)器人自身與對(duì)手保留一定距離，保護(hù)機(jī)器人不被對(duì)手破壞。機(jī)器人的戰(zhàn)斗力和防御力全部提升，憑借“鏟人”功能屢戰(zhàn)屢勝，連續(xù)獲得機(jī)器人相撲比賽冠軍。

＊ [1]李昊，郭金鵬，劉勃.四足步行機(jī)器人姿態(tài)控制方法研究[J].科技傳播.2013.21，226—227

＊ [2]石愛(ài)平,杜玉杰.高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)2010.1，84—85

韓田翰，2000年7月出生，男，沈陽(yáng)市第二中學(xué)1817班學(xué)生，18屆機(jī)器人社團(tuán)社長(zhǎng)。