擂臺機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

院冬珠 時富斌 劉桐青

（山東協(xié)和學(xué)院工學(xué)院，山東 濟南 250107）

為秉承“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識，理論知識應(yīng)用能力，實踐動手能力，提高大學(xué)生的知識創(chuàng)新和科技發(fā)明的能力，高校之間進行機器人比賽的項目也越來越多，也提升了學(xué)生對于科技創(chuàng)新的興趣。根據(jù)機器人擂臺爭霸賽場地設(shè)置及機器人的尺寸，重量等要求，我們設(shè)計了名為戰(zhàn)神號機器人，在本文中主要從控制系統(tǒng)設(shè)計方面以及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對機器人進行闡述。

一、控制系統(tǒng)的設(shè)計

在該擂臺機器人的設(shè)計中，主控芯片選用AT89S52單片機進行控制，該系列單片機是一種低功耗，高性功CMOS8位處理器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在該最小系統(tǒng)中外圍模塊主要包括：光電開關(guān)，電機驅(qū)動，電源，降壓模塊等。

（一）電機模塊

直流電機選用方面經(jīng)過初期篩選，初步選擇市場上容易買到的質(zhì)量、價格相近的兩款電機為備選電機，型號分別為：GM25-370微型直流減速電機、JGA25-340微型直流減速電機，額定轉(zhuǎn)速選擇范圍900～1000r/mim，額定電壓12v。選用較高的轉(zhuǎn)速以保證充足的撞擊力量，當競技雙方僵持狀態(tài)下內(nèi)需要考慮電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過對以上兩款電機現(xiàn)有參數(shù)的計算，得出：型號為GM25-370微型直流減速電機在最高效率點處輸出的轉(zhuǎn)矩為0.225 N·m，JGA25-340微型直流減速電機在最高效率點處產(chǎn)生的輸出為0.029 N·m，兩款電機在最高效率點處輸出轉(zhuǎn)矩相差7.7倍。兩款電機都可以滿足設(shè)計機器人的動力輸出要求，但是選用JGA25-340微型直流減速電機作為動力輸出，此型號電機在競技過程中極易造成堵轉(zhuǎn)等問題。通過對選用車輪的匹配，以及保證我方設(shè)計的機器人在競技過程中的優(yōu)勢選用型號GM25-370微型直流減速電機為機器人動力源。

（二）電機驅(qū)動模塊

在電機驅(qū)動模塊的選用考慮到選用電機的額定電流（3A）、啟動電流（6～7.5A）、堵轉(zhuǎn)電流（16 A）、電機功率（26w）等因素的影響，兼顧質(zhì)量輕、體積小為選用原則，確定選用參數(shù)為DC12V、Pw=84w、單路輸出7A峰值50A雙路電機驅(qū)動模塊。

（三）電池參數(shù)的選擇

在擂臺機器人設(shè)計中對電池選用影響最大的為電機，此電機的啟動電流為6～7.5A，為保證四臺電機的順利啟動選用的電池放電倍率需≥25C或In≥20A；保證必要的運行時間，單塊電池電量存儲≥1500mA，數(shù)量≥2塊。電機驅(qū)動用的是12v電壓，而光電開關(guān)和主控芯片上的電壓時5v，所以電機驅(qū)動上的電直接在電池上取用。

（四）光電開關(guān)

在該機器人的設(shè)計中通過傳感器接收過來的信息對現(xiàn)場環(huán)境進行判斷，傳感器是該機器人的感知部件，通過傳輸過來的各種信息，處理器進行信息處理，在該機器人設(shè)計中，底盤部位選用4個傳感器，用于檢測邊緣線，防止跌落。在機器人的上方選用4個傳感器，分別完成正向進攻及側(cè)方位防守。

二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在滿足結(jié)構(gòu)強度、韌性情況下選用輕質(zhì)量材料，同時兼顧可維修性。選用材料同時考慮成本等因素因此選用Y1Cr18Ni9材料為機械結(jié)構(gòu)主體加工材料。

關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位主要包括了鏟板設(shè)計、鏟板與車體連接設(shè)計、整體穩(wěn)定性設(shè)計、整體抗彎曲變形設(shè)計。

（一）鏟板設(shè)計：鏟板采用小角度與大角度結(jié)合，整體鏤空設(shè)計。鏟板下部為與水平面10度傾角設(shè)計，保證對抗過程中盡可能鏟入對方底盤或其他結(jié)構(gòu)下方；后半部分采用與水平面45度傾角設(shè)計，盡可能減小鏟板長度；整體鏤空減輕鏟板重量。

圖1 光電開關(guān)電路圖

圖2 光電開關(guān)

（二）鏟板與車體連接設(shè)計：鏟板與車體采用連桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計為機械自鎖結(jié)構(gòu)，保證變形后因外力將鏟板向上掀起高度≤1cm；留有小部分浮動余量保證順利通過部分不平整擂臺表面。鏟板變形后，連桿結(jié)構(gòu)成三角形，保證變形后的整體穩(wěn)定性。

（三）車體穩(wěn)定性設(shè)計：機器人整體為雙鏟板對稱結(jié)構(gòu)，重心設(shè)計在變形后前后鏟板對角線相交處，整體重量集中在車體下半部分，保證車輛運行過程中的穩(wěn)定性。靜止狀態(tài)下將車體傾覆的轉(zhuǎn)矩需＞6.615N·m；正面對抗狀態(tài)下;車體以1.5m/s速度狀態(tài)下運行車體產(chǎn)生的力大約為22.05N·m，因鏟板結(jié)構(gòu)設(shè)計，力的方向?qū)⒂伤较蚯稗D(zhuǎn)換為與水平面夾角10度向下方向的力，產(chǎn)生垂直于水平方向的分力約為22.39N/m，水平方向的分力約為126.98N/m。如不考慮摩擦阻力等其他因素影響，對抗過程中對手的速度將我方車體傾覆的速度需＞1.5m/s。

（四）整體抗彎曲變形設(shè)計：不銹鋼具有良好綜合性能，但因選擇板材長厚比大，同時為減輕重量時采用整體鏤空設(shè)計，極易產(chǎn)生彎曲變形，作為機器人的骨架部分，需要有良好的抗彎曲變形能力。

圖3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

在車輪選用方面我們選用直徑為72mm的硅膠駝峰一體輪為設(shè)計機器人的車輪。