工程機器人技術(shù)的探究

郭凱 陳陽生 高程博 韋鑒芳 唐亮

摘要：本文探討工程機器人機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和思路，電氣控制的邏輯和框架以及執(zhí)行的綜合性。通過軟件控制和機械結(jié)構(gòu)的結(jié)合，通過恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骱瓦壿嫿Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)控制機器人完整運動。

關(guān)鍵詞：Solidworks軟件;運動仿真;電氣控;邏輯分層結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0010-03

0 引言

RoboMaste 2020全國大學(xué)生機器人大賽必備兵種工程機器人，工程機器人的抓彈平臺結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定是影響戰(zhàn)隊能力的一個重要因素，設(shè)計一套穩(wěn)定的抓彈平臺是工程機器人的關(guān)鍵。根據(jù)比賽規(guī)則，利用SolidWorks軟件進(jìn)行對抓彈平臺的運動仿真，通過keil軟件編程來控制車體和抓彈機構(gòu)運動及完成變形動作，以獲得穩(wěn)定、快速的抓彈平臺。

1 資源島結(jié)構(gòu)分析

由于工程機器人在2020賽季中可以安裝發(fā)射機構(gòu)，要實現(xiàn)所有功能就要求抓彈平臺設(shè)計得盡量小、輕。資源島位于賽場的中心位置，高度為700mm、長寬均為700mm，上表面均布有九個下沉100mm、長寬均為210mm的沉孔。資源島上的九個彈藥箱分別位于九個沉孔內(nèi)，每個彈藥箱中裝有20顆42mm彈丸，總重量約為2100克。抓彈平臺的作用是將位于沉孔內(nèi)的彈藥箱內(nèi)的彈丸搬運到工程機器人中設(shè)置的彈倉內(nèi)，并且將空彈藥箱拋出，讓彈藥箱不影響工程機器人的運動。根據(jù)團(tuán)隊需求，抓彈平臺要實現(xiàn)六個彈藥箱的連續(xù)抓取，以及在抓取彈丸的同時，能夠交接彈丸的能力。因此決定：

（1）抓彈平臺的動力源采用氣缸驅(qū)動。因為氣動具有檢修維護(hù)簡單，對環(huán)境的適應(yīng)性好、有正、反作用功能、整體結(jié)構(gòu)簡單，可動部件少，對震動不敏感等優(yōu)點。（2）在抓彈平臺的活動關(guān)節(jié)使用滑軌。為了實現(xiàn)六連抓的功能，抓彈平臺設(shè)置有向上抬升達(dá)到可以抓取彈丸的高度，向前伸，達(dá)到可以抓取第二排的彈丸的距離，向左和向右平移，達(dá)到可以抓取左右兩邊的彈丸。添加滑軌可以使活動的關(guān)節(jié)的摩擦力減小，增加關(guān)節(jié)的活動線性和活動精度。（3）抓彈平臺中的機械爪動力源使用兩個回轉(zhuǎn)氣缸。該氣缸在0.8兆帕的氣壓下可以產(chǎn)生3N/m的扭矩，可以滿足抓取彈藥箱的動力需求。

2 各個活動關(guān)節(jié)設(shè)計

2.1 升降關(guān)節(jié)

根據(jù)比賽規(guī)則，在整車尺寸不超高的情況小，同時降低整車的重心，所以抓彈平臺必須要有一段升降機構(gòu)來保證實現(xiàn)上訴要求，升降關(guān)節(jié)作為抓彈平臺的最低端必須是穩(wěn)固且輕的，為了實現(xiàn)對其重量的要求，在對于驅(qū)動其升降的氣缸的選型十分重要，所以選擇在設(shè)計過程中在軟件中將每個零件都添加上對應(yīng)的材料，以至于能夠在三維圖紙中能夠得到相對準(zhǔn)確的重量，也便也控制整車的重量。為實現(xiàn)整個抓彈平臺能夠穩(wěn)定的上下運動，選擇在抓彈平臺的四個角落分別放置一個氣缸，經(jīng)過多次測試之后結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定，在升降關(guān)節(jié)的活動機構(gòu)使用氣缸推動，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，穩(wěn)定、易維修[1]。

2.2 平移關(guān)節(jié)

要實現(xiàn)六連抓功能，就要將抓彈平臺上面搭載的機械爪移動到需要抓取的彈藥箱前面，根據(jù)資源島上彈藥箱的布局，需要將機械爪向前平移和向左向右平移，一共有六個位置，在左上和右上的兩個位置是抓彈平臺位移最大的情況。為滿足整個抓彈平臺重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)的總體要求，在承重結(jié)構(gòu)中選擇20mm×20mm×1.5mm的鋁方管和20mm×10mm×1mm的鋁方管相結(jié)合，在左右平移關(guān)節(jié)中使用20mm×20mm×1.5mm搭建的剛性矩形結(jié)構(gòu)，在前伸的關(guān)節(jié)中選擇20mm×10mm×1mm搭建的剛性矩形結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中利用SolidWorks軟件進(jìn)行有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)在最大位移時，最大形變小于10mm，符合設(shè)計要求[2]。

2.3 機械爪關(guān)節(jié)

機械爪作為整套抓彈平臺最重要的部分，也是抓彈平臺的難點，機械爪需要實現(xiàn)的功能是，夾緊彈藥箱并將其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使彈藥箱中的彈丸能夠落到工程機器人所攜帶的彈倉中。使機械爪翻轉(zhuǎn)的執(zhí)行機構(gòu)選擇的是回轉(zhuǎn)氣缸，結(jié)構(gòu)簡單且電氣控制的調(diào)試也相對簡單。機械爪的長度對于翻轉(zhuǎn)的速度有很大的影響，在彈藥箱重量確定、回轉(zhuǎn)氣缸扭矩不變的情況下，機械爪越長，其結(jié)構(gòu)的力臂越長，翻轉(zhuǎn)的速度越慢。在多次更改結(jié)構(gòu)的情況下把翻轉(zhuǎn)中心盡量靠近資源島，縮短翻轉(zhuǎn)中心到資源島的距離，進(jìn)而縮短力臂。

為了能夠把下沉100mm，長寬高均為200mm的彈藥箱從沉孔中抽出，有幾種解決辦法：（1）增加機械爪長度，使其能夠抓取彈藥箱的大部分，減小彈藥箱與沉孔內(nèi)壁的摩擦，能夠緩慢的將彈藥箱從沉孔中抽出。這個方法通過多次實驗得知其最快速度也不能滿足比賽要求，而且這種結(jié)構(gòu)的機械爪及其不穩(wěn)定，在實驗中時常會出現(xiàn)不能將彈藥箱從沉孔中抽出的情況。（2）在機械爪的最前端設(shè)計一個能夠旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，機構(gòu)中主要使用兩個推力球軸承，在加夾緊彈藥箱的同時能夠使彈藥箱可以被動的旋轉(zhuǎn)，可以讓彈藥箱在離開沉孔的過程中保持彈藥箱側(cè)面與沉孔內(nèi)壁相對平行的狀態(tài)，或者與沉孔內(nèi)壁只是小范圍的接觸，產(chǎn)生的摩擦力不影響彈藥箱從沉孔抽出。（3）在Solid-Works軟件中進(jìn)行運動仿真的過程中是可以完成從沉孔中抽出彈藥箱的動作的。但是在用實物的實驗中卻出現(xiàn)了不能使彈藥箱抽出沉孔的情況，這個情況主要出現(xiàn)在實驗后面的階段。

在實驗結(jié)果的分析中得出出現(xiàn)這樣的情況的原因：（1）機械爪前端用于旋轉(zhuǎn)的推力球軸承受損，導(dǎo)致彈藥箱不能被動的翻轉(zhuǎn)。（2）機械爪實驗次數(shù)過多造成的機構(gòu)損壞，其形變超過了或接近了允許的最大形變。由此得出第二種方法能夠使彈藥箱從沉孔中抽離，速度較第一種方法有很大的提升，成功率達(dá)到80%，但是也體現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)易壞、對整個機械爪損傷較大、成功率達(dá)不到比賽要求。（3）在第二種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個將機械爪抬升的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將沉孔的深度減小一段距離，讓彈藥箱在翻轉(zhuǎn)的過程中減小接觸沉孔內(nèi)壁的概率，在對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動仿真進(jìn)行分析時得出將機械爪抬升30mm即可達(dá)到預(yù)期的效果。在實際的實驗過程中結(jié)合電氣控制可以非常流暢的將彈藥箱從沉孔中抽離，在氣壓穩(wěn)定的情況下成功率可以達(dá)到100%，實驗結(jié)果完全符合預(yù)期要求。