全自動多角度定點橄欖球踢球機器人的設(shè)計

翟麗紅

（太原工業(yè)學院，山西太原，030008）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人工智能和智能機器人學科的理論及應(yīng)用研究成為人工智能研究的熱點。體育競技不再僅僅是體力、技術(shù)的較量，也是高科技成果的較量[1]。隨著機器人技術(shù)的不斷進步，各種機器人陸續(xù)出現(xiàn)，機器人體育競技比賽的發(fā)展成為機器人中的一項不可缺少的賽事[1]。機器人的球類運動把知識性和娛樂性融為一體，向人們提供了一個展示高科技成果的形象化窗口[2]。踢球機器人要求具有良好的動力學特性和踢球能力[1]。復雜的策略及算法和較高的速度及強大的踢球機構(gòu)對機器人性能都非常重要。

在第19屆ROBOCON全國大學生機器人大賽中出現(xiàn)了一種踢橄欖球機器人，與傳統(tǒng)的規(guī)則球類相比橄欖球的特殊形狀也決定了其機器人的特殊性[1]。

本文提供了一種以舵輪底盤為基礎(chǔ)的全自動多角度定點橄欖球踢球機器人設(shè)計，利用仿生學對機器人結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，能夠真正實現(xiàn)人和機器人的互動，可用于橄欖球運動訓練、宣傳以及性能測試。

1 踢球機器人

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，本踢球機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型包含12部分，各部分結(jié)構(gòu)名稱如表1所示。模型中，玻璃纖維底盤，用于連接機器人的各個結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其整體移動。舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動是舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動力的來源。舵輪，作為機器人整體移動的動力來源，用于機器人的移動和方向調(diào)整。霍爾開關(guān)，可以在機器人啟動時用于確定舵輪的初始位置。MAXON EC30電機，為踢球結(jié)構(gòu)提供了動力。絕對值式編碼器用于記錄電機的轉(zhuǎn)角，傳輸給控制系統(tǒng)。踢球結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機器人實現(xiàn)踢球功能。固定在玻璃纖維底盤上的全場定位系統(tǒng)，可以記錄其相對位置定位。球座，盛放橄欖球的零件。撿放球座結(jié)構(gòu)，配合球調(diào)整機構(gòu)進行球姿態(tài)的調(diào)整及球和球座的撿放。球調(diào)整機構(gòu)，調(diào)節(jié)橄欖球的姿態(tài)，提高踢球的命中率。車身角度記錄系統(tǒng) ，檢測機器人的整體轉(zhuǎn)角，反饋給控制系統(tǒng)。

圖1 踢球機器人設(shè)計原理圖

表1 圖1結(jié)構(gòu)說明

1.2 舵輪結(jié)構(gòu)

如圖2所示舵輪結(jié)構(gòu)及表2所示，舵輪結(jié)構(gòu)圖中，走線架用于固定舵輪上的線，防止在舵輪旋轉(zhuǎn)的時候造成損壞。鋁制輪轂與硅膠輪配合使用，承載底盤。電機轉(zhuǎn)軸座，支撐電機轉(zhuǎn)軸一端，將電機固定在玻纖底盤上。鋁制輪轂與電機轉(zhuǎn)軸座之間的連接靠深溝球軸承實現(xiàn)。磁編碼器通過檢測電機轉(zhuǎn)軸上的磁環(huán)來讀取電機所轉(zhuǎn)角度。舵輪動力來源是電機。電機定軸座與玻纖底盤連接，固定并支撐電機的一端。

圖2 舵輪結(jié)構(gòu)圖

表2 舵輪結(jié)構(gòu)說明

1.3 撿放球及姿態(tài)矯正機構(gòu)

如圖3和表3所示，撿放球及姿態(tài)矯正結(jié)構(gòu)圖中，撿放球氣缸，通過氣缸的伸縮來實現(xiàn)撿放球結(jié)構(gòu)的上下移動，達到撿放球的目的。撿放球氣缸固定角鋁，用來將氣缸固定在踢球結(jié)構(gòu)的保持架上。圓卡片，與撿放球氣缸連接，傳遞撿放球氣缸的動力配合升降玻纖實現(xiàn)上下移動[1]。升降玻纖，利用圓卡片傳遞過來的動力，帶動姿態(tài)矯正機構(gòu)上下運動，實現(xiàn)撿放球。球姿態(tài)矯正玻纖，利用姿態(tài)矯正氣缸提供的動力，兩邊的姿態(tài)矯正玻纖同時合向中間，對球的姿態(tài)進行矯正。導輪，輔助球姿態(tài)矯正玻纖對球的姿態(tài)進行矯正。姿態(tài)矯正氣缸，姿態(tài)矯正的動力來源。姿態(tài)矯正氣缸固定角鋁，用來將矯正氣缸固定在其調(diào)整玻纖上面，便于調(diào)整。上下矯正連接，連接撿放球機構(gòu)和姿態(tài)矯正機構(gòu)。撿放球滑塊和矯正玻纖以及球座姿態(tài)矯正件配合，實現(xiàn)球的撿起和放下功能?；瑒咏卿X，連接矯正件和撿放球滑塊，帶著球座姿態(tài)矯正件上下移動。球座姿態(tài)矯正件，利用姿態(tài)矯正氣缸提供的動力向中間合攏，對球座進行姿態(tài)矯正。姿態(tài)矯正滑塊，連接姿態(tài)矯正機。姿態(tài)矯正滑軌，限制球姿態(tài)矯正玻纖和球座姿態(tài)矯正件的運動軌跡，保護氣缸。姿態(tài)矯正氣缸調(diào)整玻纖，固定姿態(tài)矯正氣缸并控制姿態(tài)矯正的調(diào)節(jié)程度。墊高尼龍柱，調(diào)節(jié)矯正氣缸的高度位置。

1.4 踢球架

如圖4和表4所示，踢球架結(jié)構(gòu)中，踢球結(jié)構(gòu)保持架，保持踢球結(jié)構(gòu)的位置，將踢球結(jié)與玻璃纖維底盤連接。絕對式編碼器，與電機配合，監(jiān)測電機所轉(zhuǎn)角度。MAXON EC30電機，踢球腳的動力來源，為踢球提供動力。磁鐵座，前端固定一個磁鐵，可以被霍爾開關(guān)檢測到，用于踢球過程中的初使位置確定?；魻栭_關(guān)，檢測磁鐵并給控制系統(tǒng)傳回一個信號。

表4 圖4結(jié)構(gòu)說明

圖4 踢球架

2 工作原理

如圖1所示，機器人啟動后，通過正交碼盤和陀螺儀進行初始位置角度記錄。如圖4所示，踢球機構(gòu)初始化至初始位置，如MAXON EC30電機的驅(qū)動，與霍爾開關(guān)檢測磁鐵座前端固定的磁鐵相互配合，可完成踢球機構(gòu)初始化。將橄欖球球座置于圖1中的球座處，橄欖球并會觸發(fā)紅外測距模塊。傳感器將信息返回主控制器中，圖3中的姿態(tài)矯正機構(gòu)中，兩氣缸前推后拉往返一次后拉將球座和橄欖球的進行姿態(tài)矯正，將球豎直放置于球座的上端，圖4機構(gòu)中的紅外測距模塊觸發(fā)，機器人接收到球已放好的信息，人觸發(fā)圖4中的紅外測距模塊，圖3中球調(diào)整機構(gòu)會將球抓住并調(diào)整姿態(tài)（兩個氣缸同時前推，球座夾持，球姿態(tài)矯正玻纖和導輪共同矯正橄欖球姿態(tài)。隨后，撿放球氣缸回拉，升降玻纖傳動，撿放球滑塊進行限位，抬起整套姿態(tài)矯正機構(gòu)，完成撿球動作）；撿球后，機器人在舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動和舵輪配合提供移動動力，利用定位系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，在到達設(shè)定位置的過程中，通過全場定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和程序?qū)嵌冗M行設(shè)定，調(diào)整踢球角度；到達后，調(diào)整機構(gòu)將球座和球放下氣缸前推，整套姿態(tài)矯正機構(gòu)下降，球座觸底，兩氣缸同時通過節(jié)流閥緩慢后拉，將球和球座平穩(wěn)放下執(zhí)行踢球動作。踢球結(jié)構(gòu)將球踢出（利用圖4中絕對式編碼器對電機轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)矩控制，進而控制踢球腳的力度以及方向，完成定點踢球[1]。最后,機器人夾持球座，對球座進行重復利用，踢球機構(gòu)回初始位置，并等待下一個新的指令。機器人裝有多個高精度的傳感器，完成數(shù)據(jù)的收集，并反饋給控制系統(tǒng)，精確調(diào)整機器人的運動。

3 總結(jié)

本文設(shè)計了一款基于機器人舵輪底盤進行全方位移動的自動踢球機器人，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、舵輪設(shè)計、撿放球及姿態(tài)矯正機構(gòu)及踢球架對踢球機器人進行了設(shè)計及描述。本設(shè)計可以有效實現(xiàn)人機互動，可用于橄欖球運動的訓練、宣傳以及性能測試。