軌道巡航機器人即時彈射系統(tǒng)設(shè)計

楊之遠 覃一飛 冷春濤

摘要：交龍隊軌道巡航機器人的兩端彈射系統(tǒng)在RoboMaster2019比賽中雖然表現(xiàn)良好，但該機器人承擔(dān)著保護基地安全的動態(tài)防衛(wèi)兼攻擊職能，因此其彈射系統(tǒng)的設(shè)計迭代就顯得非常重要，在提高系統(tǒng)機動反應(yīng)能力時還要求降低能耗，發(fā)揮軌道巡航機器人的最大競技優(yōu)勢。本文論述了軌道巡航機器人彈射系統(tǒng)的原理、即時彈射系統(tǒng)的設(shè)計以及其競技性能的測試。

關(guān)鍵詞：即時彈射系統(tǒng) 軌道巡航 穩(wěn)定性 儲能系統(tǒng)

Abstract：Although the ejection system at both ends of the Jiaolong team's orbital cruise robot performed well in the robomaster 2019 competition，the robot undertakes the dynamic defense and attack function of protecting the safety of the base. Therefore，the design iteration of its ejection system is very important. It is also required to reduce energy consumption and give full play to the greatest competitive advantage of the orbital cruise robot when improving the mobile response ability of the system. This paper discusses the principle of the ejection system of the orbital cruise robot，the design of the real-time ejection system and the test of its competitive performance.

Key words：Real Time Ejection System ?Orbit Cruise ?Stability ?Energy Storage System

一、背景

RoboMaster比賽中軌道巡航機器人在空中軌道段上進行高速移動，通過自身彈射系統(tǒng)和彈丸發(fā)射能力保護己方基地安全。彈射系統(tǒng)可以使機器人在軌道兩端循環(huán)移動，其速度大小的設(shè)計決定著端點滯留受襲的概率，即機器人在軌道兩端的存活率;另外如果軌道巡航機器人能夠做到軌道區(qū)間內(nèi)任意點具備隨機彈射能力，將使其成為極難被擊殺并兼攻擊力的炮臺。因此軌道巡航機器人彈射系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計非常重要，該系統(tǒng)從屬于機器人的頂部底盤系統(tǒng)。

交龍隊2019代軌道巡航機器人的彈射系統(tǒng)包括彈簧儲能系統(tǒng)和撞柱檢測渦流傳感器兩部分，頂盤兩側(cè)的彈射系統(tǒng)以彈簧為主體，在不開啟彈射系統(tǒng)時頂盤系統(tǒng)阻力均勻，使機器人在軌道兩側(cè)換向時沒有任何滯留時間，具有良好的運動性能，有效躲避對方彈丸傷害，其反彈機構(gòu)由碳管、彈簧、碰撞板與電感式接近開關(guān)等構(gòu)成，機器人在撞擊軌道兩側(cè)柱子的瞬間，柱子擠壓碰撞板并壓縮彈簧，將機器人反向彈回;同時碰撞板上的電感式接近開關(guān)感應(yīng)到柱子后，頂盤主動輪電機反轉(zhuǎn)，使機器人迅速換向運動。但該彈射系統(tǒng)的設(shè)計只能在軌道兩個端點進行彈射，在兩端只能開啟勻加速或勻減速運動，具有一定的局限性，如圖1所示。

該系統(tǒng)的碳管參數(shù)為外徑12mm-內(nèi)徑8mm-長480mm，能在碳管限位板的限制下沿軸向滑動。彈簧參數(shù)為外徑20mm，線徑1.5mm，長度110mm，彈簧剛度過大會對機器人造成過沖擊，且損耗能量;若其剛度過小則壓縮行程過大，云臺有撞上柱子的風(fēng)險。由于頂盤系統(tǒng)快速運行，選用PR18-8DN電感式接近開關(guān)來檢測柱子。

為了改善軌道巡航機器人的運動模式，擴大彈射系統(tǒng)范圍，并結(jié)合2020年度賽季規(guī)則和競技需求，2020版軌道巡航機器人彈射系統(tǒng)設(shè)計提出了以下設(shè)計目標(biāo)：

1.設(shè)計軌道巡航系統(tǒng)任意點彈射功能，最大化保證功率使用，功率曲線保持在 30w 以下波動;

2.設(shè)計彈射鎖死機構(gòu)可以任意情況下控制開合，且閉合時不產(chǎn)生滑動摩擦，保證彈射系統(tǒng)可以勻速運動。

3.彈射系統(tǒng)可以在任意勻速段開啟和轉(zhuǎn)向，掛擋期間不開啟電機。

二、軌道巡航機器人彈射系統(tǒng)設(shè)計方案

1、軌道巡航彈射系統(tǒng)架構(gòu)

軌道巡航彈射系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。通過頂盤車架兩側(cè)拉簧及滑軌固定剎車系統(tǒng)，在剎車系統(tǒng)工作時，使得拉簧完成儲能和釋放的過程。

2、剎車系統(tǒng)機械原理

剎車系統(tǒng)設(shè)計利用了摩擦角原理。即當(dāng)物體處于滑動的臨界狀態(tài)時，靜摩擦力FS達到最大值Fmax，此時FR 與支持力FN 的夾角也最大，此時的φm 稱為摩擦角。

通過摩擦角原理可知，當(dāng)施力方向在摩擦角內(nèi)時，無論力多大都可以保證物體靜止。

3、剎車抱死系統(tǒng)的設(shè)計

剎車抱死系統(tǒng)的設(shè)計主要包括剎車片、剎車臂以及剎車控制裝置。2019版沒有該設(shè)計，首先考慮采用舵機進行剎車控制，即舵機通過一個柔性扭簧連接到剎車片，在需要剎車的時候，摩擦片直接接觸到軌道底部，達到剎車的效果。考慮舵機與剎車片采用柔性連接，是因為這種連接方式不會對舵機產(chǎn)生損傷。剎車臂的控制則是純機械控制完成。剎車臂上裝有兩側(cè)的扭簧，用于剎車脫開后的快速回正，同時在一側(cè)裝有阻尼器，通過調(diào)節(jié)阻尼器內(nèi)的油量來控制阻尼大小，以達到最佳狀態(tài)。雖然剛開始效果不錯，但是機械調(diào)PID的操作非常復(fù)雜且難以調(diào)平，隨著使用頻率的增加，純機械剎車漸漸產(chǎn)生很多問題，容易出現(xiàn)某個機構(gòu)參數(shù)稍微差一點就得重新凹結(jié)構(gòu)的情況，總的來說不理想。

經(jīng)過反復(fù)思考決定直接使用2006電機控制剎車臂實現(xiàn)自鎖。這一更改省去了很多復(fù)雜的彈簧、扭簧以及阻尼器，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊簡單，穩(wěn)定性更好，成功率更高。在機械設(shè)計上利用摩擦角原理將剎車片通過電機和懸臂桿連接，使得剎車機構(gòu)在需要的時候可以直接和軌道夾死，形成一個小于摩擦角的角度，從而達到瞬間鎖死的效果（圖4）。

4、儲能系統(tǒng)設(shè)計

2019版儲能系統(tǒng)采用彈簧機構(gòu)，并用伸縮桿作為方向引導(dǎo)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;新設(shè)計改用拉簧進行彈性儲能，兩側(cè)拉簧和兩側(cè)留出的安裝孔相連，利用兩邊的初始力拉緊，取消了伸縮桿，簡化了部分結(jié)構(gòu)。剎車機構(gòu)和拉簧連接可以帶動車架整體進行機械能的積累。

第一種方案設(shè)計采用的是單側(cè)雙拉簧，在拉簧被擠壓的時候，被擠壓側(cè)將會像連桿一樣彎曲，使得車體在剎車狀態(tài)持續(xù)更長的距離，盡可能增加儲能。但是根據(jù)實際測試來看，這樣設(shè)計的效果并不好。首先，每次彈射都會引發(fā)巨大的噪音，主要原因是“連桿”收縮的時候由于重力作用會撞在軌道上，從而損失了較多機械能;其次，拉簧連桿系統(tǒng)的自由度較多，容易在連桿收縮的時候出現(xiàn)拉簧脫開的情況，導(dǎo)致機構(gòu)無法使用，而且使用時間越長出現(xiàn)這種情況的頻率越高。

由于上述兩個比較致命的因素，我們設(shè)計第二種方案，使用彈性系數(shù)更小的拉簧，即線徑小，直徑大，圈數(shù)多的拉簧。最初我們使用的是線徑2mm外徑18mm長度80mm的拉簧，經(jīng)過測試以后拉簧的主要參數(shù)優(yōu)化方案為線徑2mm外徑18mm長度90mm（圖5）。

5、即時彈射系統(tǒng)設(shè)計

2020版即時彈射系統(tǒng)設(shè)計包括剎車抱死系統(tǒng)和拉簧儲能系統(tǒng)兩部分，剎車抱死系統(tǒng)包括剎車片的選型和剎車控制，剎車片必須具備耐磨、高摩擦系數(shù)、易于固定和長壽命等特點，剎車控制通過控制電機的正反轉(zhuǎn)和剎車時刻來儲存和再利用動能;儲能系統(tǒng)決定了彈射系統(tǒng)每一次彈射的能源利用率，在彈射的過程起到了決定性的作用，如果儲能系統(tǒng)儲存能力差，比如在彈射過程中產(chǎn)生大量振動和撞擊等動作，將大大降低回彈速度從而使得彈射效果大打折扣。

即時彈射系統(tǒng)經(jīng)過上述優(yōu)化設(shè)計和測試后，最后的方案如下表1：

三、軌道巡航機器人彈射系統(tǒng)性能測試

1、測試平臺搭建及基本原理測試

測試的主要模塊是彈射機構(gòu)，先后通過亞克力、打印件、自制線切割件進行了簡單的功能性測試，達到了一定的成果（圖6、7）。

構(gòu)建了測試用頂盤，和比較基本的原理性測試用剎車。整體上通過手動的控制，可以發(fā)現(xiàn)基本功能是可以保證的，但是由于打印件比較脆弱，故并沒有用非常大的力進行測試，只能說在原理上可行。

2、即時剎車系統(tǒng)測試

實驗評估指標(biāo)主要包括：機器人在軌道上的平均往返時間，變向加速度，直道與彎道上的勻速滑動阻力，全速運動瞬間斷電后的自由滑行距離等。

3、儲能系統(tǒng)的測試

儲能系統(tǒng)主要由拉簧組成，先后進行過多次測試。其中線徑-直徑-長為2mm-18mm-80mm拉簧方案經(jīng)過長期測試，在120分鐘后出現(xiàn)了嚴重范性形變，大于120分鐘后一側(cè)彈簧斷裂，如圖10。線徑-直徑-長為2mm-20mm-100mm的拉簧方案整體上無嚴重的畸變，但是能量儲存不理想。目前優(yōu)化方案采用線徑-直徑-長為2mm-20mm-90mm的拉簧，電機功率曲線小于30W。

經(jīng)過測試表明軌道巡航彈射系統(tǒng)的設(shè)計達到了以下三個目標(biāo)，實現(xiàn)軌道巡航的即時彈射，最大化保證功率使用，功率曲線不超30w上下波動;彈射系統(tǒng)可以在任意勻速段開啟和轉(zhuǎn)向，掛擋期間不運作電機;彈射系統(tǒng)剎車機構(gòu)可以任意情況下控制開合，且閉合時不產(chǎn)生滑動摩擦。但在部分細節(jié)上仍有一定的問題，比如拉簧儲能不夠充分，每次彈射都存在一次軌道巡航整車的晃動，發(fā)現(xiàn)每次彈射會有拉簧松開現(xiàn)象，另外彈射系統(tǒng)程序偶爾會出現(xiàn)零點問題。

四、軌道巡航機器人即時彈射系統(tǒng)改進與展望

軌道巡航機器人即時彈射系統(tǒng)經(jīng)過迭代設(shè)計，盡管取得了較多優(yōu)點，但還存在控制程序偶爾失效的缺陷，拉簧儲能不夠充裕等方面。因此下一步可以優(yōu)選拉簧參數(shù)，結(jié)構(gòu)上設(shè)計更長的拉簧行程，通過仿真分析降低整車重量等方面可以進行更多的迭代，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性以及實戰(zhàn)性。

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