基于世界機(jī)器人大賽輪式機(jī)器人登臺(tái)方式的研究與實(shí)現(xiàn)

張永清 劉航天 董 帥 柳源平

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著人們對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品興趣的不斷提高，世界機(jī)器人大賽也得到更多人的關(guān)注.其中標(biāo)準(zhǔn)組輪式機(jī)器人對(duì)抗賽是一種趣味性和競技性都很強(qiáng)的比賽.比賽開始后機(jī)器人首先要自主登上擂臺(tái)，之后比賽雙方的機(jī)器人在擂臺(tái)上自主尋敵進(jìn)行搏擊，倘若一方的機(jī)器人自己沖下擂臺(tái)或者被對(duì)方攻擊掉臺(tái)，則機(jī)器人必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自主登臺(tái)方可繼續(xù)比賽.因此機(jī)器人自主登臺(tái)方式的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其直接決定著比賽能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在.本文主要研究了標(biāo)準(zhǔn)輪式機(jī)器人如何準(zhǔn)確識(shí)別擂臺(tái)位置以及機(jī)器人的登臺(tái)方式，并著重對(duì)各種登臺(tái)方式的原理和特點(diǎn)進(jìn)行具體的分析和說明.

1 機(jī)器人登臺(tái)方式的設(shè)計(jì)

1.1 利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)登臺(tái)

利用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主登臺(tái)(如圖1)，其最大的特點(diǎn)是在機(jī)器人的前后都布置上相同結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，當(dāng)機(jī)器人在臺(tái)下的時(shí)候，機(jī)械臂呈收起狀態(tài)，機(jī)器人首先通過傳感器確定擂臺(tái)的位置，然后正對(duì)擂臺(tái)將前部的機(jī)械臂搭放在擂臺(tái)邊緣，以機(jī)械臂為支撐把機(jī)器人抬起，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子前進(jìn)致使機(jī)器人前半部分登上擂臺(tái)，之后將前機(jī)械臂收起并放下后機(jī)械臂，同樣通過機(jī)械臂的支撐作用將機(jī)器人的后輪抬起，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)直至機(jī)器人全部上臺(tái)，所有機(jī)械臂全部收起機(jī)器人呈攻擊狀態(tài).

圖1 利用機(jī)械臂登臺(tái)

這種利用機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)登臺(tái)的方式主要的優(yōu)點(diǎn)就是登臺(tái)過程穩(wěn)定，機(jī)器人在整個(gè)登臺(tái)的過程中不會(huì)出現(xiàn)猛烈的撞擊和震動(dòng)，對(duì)機(jī)器人內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沒有沖擊，不會(huì)因?yàn)榈桥_(tái)而造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞.同時(shí)，該登臺(tái)方式也存在一些不足，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在機(jī)器人前后安裝兩套機(jī)械臂；

(2)機(jī)械臂不能代替推鏟作為武器，降低了機(jī)器人的攻擊性能；

(3)上臺(tái)過程較為繁瑣，耗時(shí)較長.

因此，若要采用機(jī)械臂來登臺(tái)，則機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)要盡可能設(shè)計(jì)的簡單靈活，機(jī)器人的底盤重心盡可能低，以增加機(jī)器人的整體穩(wěn)定性.機(jī)器人的登臺(tái)程序設(shè)計(jì)不能太過繁瑣，否則機(jī)器人無法在比賽要求的時(shí)間內(nèi)登臺(tái)，直接導(dǎo)致扣分.

1.2 利用后斜坡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)登臺(tái)

利用后斜坡機(jī)構(gòu)進(jìn)行登臺(tái)(如圖2)，不需要設(shè)計(jì)許多機(jī)械臂，故其結(jié)構(gòu)要相對(duì)簡單許多.在機(jī)器人的前部設(shè)計(jì)攻擊用的推鏟，在機(jī)器人的后部設(shè)計(jì)登臺(tái)用的后斜坡機(jī)構(gòu).機(jī)器人在剛啟動(dòng)或是掉下擂臺(tái)之后，同樣先由傳感器識(shí)別擂臺(tái)的位置，確定好擂臺(tái)位置之后，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至背對(duì)擂臺(tái)的狀態(tài)，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪加速向后運(yùn)動(dòng)，通過后側(cè)斜坡的導(dǎo)向作用使機(jī)器人沖上擂臺(tái)，以達(dá)到機(jī)器人自主登臺(tái)的目的.

圖2 利用后斜坡機(jī)構(gòu)登臺(tái)

顯然，這種利用后斜坡登臺(tái)的方式和利用機(jī)械臂登臺(tái)相比要更簡單更快捷一些.沒有繁瑣的結(jié)構(gòu)和步驟，直接對(duì)準(zhǔn)擂臺(tái)邊緣加速?zèng)_上擂臺(tái)，耗時(shí)更短，實(shí)用性更強(qiáng).但通過實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這樣結(jié)構(gòu)同樣具有缺點(diǎn)，主要如下：

(1)對(duì)后斜坡和地面之間角度的設(shè)計(jì)要求很高，角度太大或太小都直接影響實(shí)際登臺(tái)的效果；

(2)登臺(tái)時(shí)機(jī)器人的移動(dòng)速度很快，在和擂臺(tái)撞擊瞬間對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)造成很大沖擊.

若要利用后斜坡來登臺(tái)，則需要確保機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，尤其是內(nèi)部電路要有足夠的穩(wěn)定性，否則因?yàn)榈桥_(tái)而造成其他故障，結(jié)果將得不償失.最后就是要對(duì)后斜坡與地面之間的角度設(shè)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)研究.根據(jù)比賽要求可知，比賽用擂臺(tái)的高度為60 mm，通過設(shè)計(jì)一系列角度梯度值來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的登臺(tái)效果可以得出當(dāng)后斜坡與地面夾角在30～40°之間時(shí)，機(jī)器人登臺(tái)的穩(wěn)定性更好，登臺(tái)過程更加迅速流暢.

在解決處理好上述問題之后，這種利用后斜坡登臺(tái)的設(shè)計(jì)將極大提高機(jī)器人的實(shí)際比賽中的整體表現(xiàn)效果.機(jī)器人的結(jié)構(gòu)將更加簡潔，登臺(tái)速度更快更穩(wěn)，攻擊力也將得到一定提高.

1.3 利用輔助支撐弧實(shí)現(xiàn)登臺(tái)

在機(jī)器人前方兩側(cè)增加兩個(gè)輔助支撐弧(如圖3)，當(dāng)機(jī)器人在擂臺(tái)下或在擂臺(tái)上巡敵攻擊時(shí)輔助支撐弧呈收起狀態(tài)，只有當(dāng)機(jī)器人處在擂臺(tái)下需要進(jìn)行登臺(tái)時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助支撐弧做整周的圓周運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)機(jī)器人加速向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人呈飛躍式狀態(tài)，通過輔助支撐弧的作用使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)登臺(tái)的目的.

圖3 利用支撐弧進(jìn)行登臺(tái)

這種利用輔助支撐弧實(shí)現(xiàn)登臺(tái)的設(shè)計(jì)，雖然沒有前面兩種應(yīng)用較多，但其結(jié)構(gòu)簡單可以給機(jī)器人的其他主要部位設(shè)計(jì)留出充足空間，而且登臺(tái)迅速，耗時(shí)短也很好的符合比賽的要求.

通過觀察圖3的設(shè)計(jì)可以看出，采用輔助支撐弧進(jìn)行登臺(tái)其結(jié)構(gòu)非常簡單，不管是與機(jī)械臂還是與后斜坡機(jī)構(gòu)相比，該設(shè)計(jì)都要更加靈活簡單.其完成登臺(tái)動(dòng)作的過程同樣非常迅速，能很好地在比賽規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù).除此之外，在保證穩(wěn)定迅速地實(shí)現(xiàn)登臺(tái)動(dòng)作的同時(shí)，該結(jié)構(gòu)由于十分簡單，并且給底盤等其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)留出了很大空間.在車輪設(shè)計(jì)方面，采用兩個(gè)大號(hào)車輪和地面接觸面積更大，抓地效果更好，極大提高了機(jī)器人自身穩(wěn)定性.降低了在比賽過程中被敵人推下擂臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn).

2 機(jī)器人的自主識(shí)別與準(zhǔn)確定位

對(duì)于機(jī)器人的自主登臺(tái)來說選擇什么樣的登臺(tái)方式十分重要，但同樣還有一個(gè)十分關(guān)鍵的問題值得注意，那就是機(jī)器人的自主識(shí)別與準(zhǔn)確定位.顯然，機(jī)器人要想登臺(tái)就必須對(duì)自身位置狀況和擂臺(tái)具體位置做出準(zhǔn)確的判斷.這就要求機(jī)器人本身能夠準(zhǔn)確識(shí)別比賽環(huán)境，快速確定自身位置并判斷自己是在擂臺(tái)上還是擂臺(tái)下.

對(duì)于這一問題，可以通過安裝多種傳感器相配合來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主識(shí)別與準(zhǔn)確定位.結(jié)合比賽要求和實(shí)際情況可選用紅外測距傳感器和灰度傳感器來實(shí)現(xiàn)此功能.首先要確定機(jī)器人自身所處的位置.根據(jù)比賽規(guī)則介紹可知，比賽擂臺(tái)的表面顏色是漸變的，最外側(cè)是黑色漸變到中心為白色，根據(jù)這一情況我們可選用灰度傳感器，因?yàn)椴煌念伾珜?duì)光的反射程度不同，其傳輸?shù)絺鞲衅鞯臄?shù)值也就不同.故當(dāng)機(jī)器人處在擂臺(tái)中心時(shí)檢測的灰度平均值較小，而當(dāng)機(jī)器人處在擂臺(tái)邊緣時(shí)檢測的灰度平均值較大，以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)自身的準(zhǔn)確定位.其次，分別在機(jī)器人的底盤和頂部安裝四個(gè)紅外測距傳感器，通過各個(gè)傳感器之間的配合工作，對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境做出檢測并判斷出擂臺(tái)的位置.由于擂臺(tái)高度為60 mm，低于后方傳感器的高度，因此當(dāng)后方四個(gè)傳感器同時(shí)接收到信號(hào)的時(shí)候，表明機(jī)器人此時(shí)正對(duì)擂臺(tái)，從而確定擂臺(tái)位置.

3 結(jié) 語

本文主要對(duì)世界機(jī)器人大賽中標(biāo)準(zhǔn)輪式機(jī)器人的登臺(tái)方式做了詳細(xì)介紹，重點(diǎn)分析了三種不同的機(jī)器人登臺(tái)方案，對(duì)每一種方案的優(yōu)缺點(diǎn)都做了具體說明.三種不同的登臺(tái)方案基本可以滿足機(jī)器人在不同位置的需要，實(shí)現(xiàn)順利登臺(tái).除此之外，本文還對(duì)機(jī)器人如何準(zhǔn)確識(shí)別自身以及擂臺(tái)的位置做了簡要分析.