Robomaster大賽的哨兵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉疏桐，張瑞志，吳振豪，阮永鋒

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110136）

RoboMaster 機(jī)甲大師賽[1]是由共青團(tuán)中央、全國(guó)學(xué)聯(lián)、深圳市人民政府聯(lián)合主辦，DJI 大疆創(chuàng)新發(fā)起并承辦的機(jī)器人賽事，作為全球性的射擊對(duì)抗類的機(jī)器人比賽，在其誕生伊始就憑借其顛覆傳統(tǒng)的機(jī)器人比賽方式、震撼人心的視聽(tīng)沖擊力、激烈硬朗的競(jìng)技風(fēng)格，吸引到全球數(shù)百所高等院校、近千家高新科技企業(yè)以及數(shù)以萬(wàn)計(jì)的科技愛(ài)好者的深度關(guān)注。

哨兵是賽場(chǎng)上唯一的全自動(dòng)機(jī)器人，對(duì)地面機(jī)器人進(jìn)行反擊，它有一個(gè)發(fā)射機(jī)構(gòu)，可以發(fā)射17mm小彈丸，通過(guò)控制云臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)在一定的角度范圍內(nèi)俯仰運(yùn)動(dòng)；同時(shí)也有移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在軌道上做定向運(yùn)動(dòng)。為了提高哨兵在新賽季[2]的表現(xiàn)，本文主要研究哨兵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出一些優(yōu)化方法。

1 雙云臺(tái)設(shè)計(jì)

為了規(guī)避敵方機(jī)器人的攻擊，需要哨兵能夠快速的運(yùn)動(dòng)，可以在軌道上設(shè)計(jì)兩個(gè)云臺(tái)[3-4]。新賽季對(duì)哨兵的要求變化較大，軌道形狀改為直軌道，在設(shè)計(jì)哨兵底盤(pán)上的輪系組合時(shí)可以做相應(yīng)的改變，增加一個(gè)發(fā)射機(jī)構(gòu)，由于哨兵的整體尺寸有一定的限制，需要合理布置兩個(gè)云臺(tái)的位置，最大限度的發(fā)揮哨兵的反擊能力，但發(fā)射機(jī)構(gòu)的增加，必然會(huì)導(dǎo)致整體的重量增加，所以還要想辦法合理減輕整體的重量，使哨兵可以更加迅速的在軌道上進(jìn)行移動(dòng)，更好的規(guī)避敵方機(jī)器人的攻擊。

2 加強(qiáng)哨兵的攻擊能力

哨兵的攻擊能力是大賽取勝的關(guān)鍵，也是影響哨兵性能的主觀因素。為了提高哨兵的攻擊能力，我們?cè)诖筚愒O(shè)備的設(shè)計(jì)和制作的過(guò)程中，重點(diǎn)研究了新云臺(tái)的設(shè)計(jì)制作，以及如何布置兩個(gè)云臺(tái)，如何減輕云臺(tái)發(fā)射機(jī)構(gòu)的重量，提高反擊效率。

（1）新云臺(tái)的設(shè)計(jì)

由于上賽季的哨兵只有一個(gè)掛載在底盤(pán)下方的下云臺(tái)，所以另外一個(gè)云臺(tái)要重新設(shè)計(jì)制作。而且我們把另一個(gè)云臺(tái)的安裝位置定在軌道上方，因此新云臺(tái)的設(shè)計(jì)要符合上云臺(tái)的這一角色設(shè)定，更多的任務(wù)是防空，地面的火力更多的交給下云臺(tái)去進(jìn)行處理。

（2）移動(dòng)的穩(wěn)定性

比賽中哨兵的移動(dòng)靠的是一個(gè)主動(dòng)輪，并在兩側(cè)用兩個(gè)輔輪夾緊軌道。但是在一場(chǎng)比賽下來(lái)，兩側(cè)的輔輪可能會(huì)打滑，撇向一側(cè)，影響機(jī)器人的規(guī)避速度和射擊精度，甚至?xí)p壞機(jī)器人結(jié)構(gòu)。我們通過(guò)反復(fù)的實(shí)踐并修改輔輪結(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，找了出一套穩(wěn)定的方案。

（3）整體的輕量化和可靠性

在加入了上云臺(tái)后，哨兵整體重量增加了近一倍。上賽季的哨兵以規(guī)避為主，反擊為輔，新賽季的哨兵上就恰恰相反了，但也不能忽視了規(guī)避的重要性。通過(guò)對(duì)一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和材料的選擇優(yōu)化，并對(duì)關(guān)鍵的部位進(jìn)行應(yīng)力分析，在減輕重量的同時(shí)也能保證可靠性。

3 哨兵機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)哨兵機(jī)器人的攻防能力，我們對(duì)強(qiáng)哨兵機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)solidworks建模，adams和matlab聯(lián)合仿真，單片機(jī)調(diào)控，并加入視覺(jué)技術(shù)，我們完成了新賽季哨兵的初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 哨兵設(shè)計(jì)圖

(1)采用“三面包夾”輪系結(jié)構(gòu)

底盤(pán)結(jié)構(gòu)放棄傳統(tǒng)的四面包夾結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹亓Φ脑?，底面的包夾輪系實(shí)際上是一個(gè)虛約束，在哨兵巡航時(shí)，可能會(huì)給側(cè)面的輔輪施加過(guò)大的壓力，損壞結(jié)構(gòu)。所以去除底部輪系，只保留上左右三面包夾，如圖2所示。且左右兩組輪系上裝有彈簧，可以在一定范圍內(nèi)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了哨兵安裝和巡航時(shí)的可靠性，如圖3所示。

圖2 “三面包夾”輪系結(jié)構(gòu)

圖3 彈簧連接（彈簧未畫(huà)出）

（2）新哨兵上云臺(tái)的設(shè)計(jì)

上云臺(tái)（如圖4所示）的任務(wù)主要是防空，同時(shí)也要求兼顧地面火力。為滿足這一要求，我們將上云臺(tái)的發(fā)射機(jī)構(gòu)位置前移，保證了發(fā)射槍口在pitch軸方向上有足夠的活動(dòng)空間，俯仰角方案初步定為45度仰角，60度俯角（如圖5，圖6所示）。同時(shí)，為了保證pitch軸的響應(yīng)速度，云臺(tái)的彈艙也從上一代放在發(fā)射機(jī)構(gòu)上改為放在上云臺(tái)底板上，減輕了pitch軸絕大部分重量，目前的pitch軸基本可以做到無(wú)延遲響應(yīng)。

圖4 新哨兵上云臺(tái)

圖5 45度仰角

圖6 60度俯角

（3）環(huán)氧板榫卯

哨兵是一個(gè)需要輕量化的英雄，它的構(gòu)造基本由環(huán)氧板組成，板和板之間通過(guò)榫卯結(jié)構(gòu)完成一定強(qiáng)度的連接。榫卯結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓抗震的效果，用在了哨兵底盤(pán)的制作上，使哨兵底盤(pán)具有更好的承重能力，可以在運(yùn)行中很好的將云臺(tái)倒掛，同時(shí)其自身不易發(fā)生形變，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快捷的穩(wěn)定連接。

圖7 輕巧牢固的榫卯結(jié)構(gòu)

為了使哨兵整體輕量化，我們對(duì)機(jī)器人的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析篩選，最終選用了2mm和3mm的環(huán)氧板和碳板，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，強(qiáng)度合適，并且基本避免了鋁管等金屬材料的使用，連接部分也大量采用輕巧牢固的榫卯結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。而且對(duì)于一些受力條件比較復(fù)雜的零件，為保證其材料的強(qiáng)度，我們特意做了應(yīng)力分析（如圖8所示），進(jìn)而對(duì)零件的形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖8 應(yīng)力分析

由于疫情的原因，五月的機(jī)甲大師賽改為線上進(jìn)行，經(jīng)過(guò)幾輪線上答辯，我們的設(shè)計(jì)思路得到了教授專家的一致好評(píng)，最終獲得了2020賽季全國(guó)三等狀，哨兵組獲單項(xiàng)全國(guó)二等獎(jiǎng)，隨著新冠疫情的基本控制，新學(xué)年開(kāi)學(xué)后，我們將抓緊時(shí)間制作實(shí)物器件，爭(zhēng)取在21新賽季能取得更好的成績(jī)。