竞赛机器人的创意设计与基本机械结构——Robocon全国大学生机器人电视大赛

竞赛机器人的创意设计与基本机械结构
———Robocon 全国大学生机器人电视大赛
钱晓忠
(无锡职业技术学院　江苏　无锡　214121)
摘要:结合笔者指导的一、二、三届CCT V 全国大学生机器人电视大赛无锡职业技术学院代表队的
比赛机器人的设计制作,阐述竞赛型机器人的创意设计与基本机械结构。

关键词:机器人;创意设计;机械结构中图分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:167127880(2005)205201203
Crea ti ve D esi gn and Ba si c M echan is m of Con test Robots
———Robocon University Robot Contest
Q ian Xiaozhong
Abstract:The text integratesWX I T’s r obots’design and making,in which the 1st,2nd and 3rd CCT V U 2niversity Robot Contest are directed by the author,expatiates creative and basic mechanis m of contest r obots .
Key W ords:Robot;Creative Design;Mechanis m
收稿日期:2004212216
作者简介:钱晓忠(19732),男,江苏无锡人,无锡职业技术学院讲师。

我国中央电视台为了选拔中国大学生的优秀代表队参加“首届亚广联亚太地区大学生机器人大赛”,于2002年6月开始举办了“首届全国大学生机器人电视大赛”,以后每年举办一次,现已成功举办了三届,为我国大学生提供了一个探索科技、创新思维与科学实践相结合的机会和舞台。

本文根据笔者参加比赛的经历及体会就比赛机器人的创意设计与基本机械结构作一归纳总结,关于前三届比赛的主题及规则可浏览央视网站(www .cctv .com 大赛)。

一、竞赛机器人的创意设计
对于竞赛机器人的设计制造来说,创意设计是整体战略战术构思最关键的环节,机器人的结构设计,控制功能设计,比赛策略设计都依赖于最初的创意设计,创意设计也是整个机器人设计、制作过程中智慧的闪光点。

创意设计的大致工作流程如图1所示:
创意设计最重要的是要有创造激情,抛开传统的设计思路的约束,展开充分的想象,充分发挥集体的智慧,在个人想象与集体讨论中碰撞出灵感的火花。

方案完成后还必须对方案进行可行性分析论证,可行性分析论证需要考
虑很多方面的因素,如技术实现、性能价格、时间周期、规则的约束条件、比赛中的攻击与防守能力、人力资源等。

图1　创意设计工作流程
第4卷第1期无锡职业技术学院学报
2005年3月
Journal of W uxi I nstitute of Technol ogy
Vol .4No .1Mar .2005
在经过课题组反复讨论选定一个最可行的方案(一般再留有若干个备用方案)后,即可进入初步设计阶段。

初步设计阶段的任务是将机器人的创意与初步方案具体化,以草图、系统原理图、初步设计计算以及关键部分局部详图等形式表达出来,初步核对机器人的各项性能指标是否能满足设计的要求。

接下来可进入详细设计阶段,最后是调试与演练阶段。

二、基本机械结构
Robocon竞赛机器人一般都有总体重的限制,即在规定总体重内机器人数量不做限制,毫无疑问,在总体重内,机器人数量越多则战术组合越多,完成目标时间越短,最终获胜的机会越大。

当然,这也不是绝对的,能否获胜另外还取决于机器人的性能。

因此,对于Robocon竞赛机器人的机械结构设计通常根据以下几方面原则进行:
(1)必须能完成设计方案规定的动作;
(2)必须有很高的可靠性和必要的强度、刚度;
(3)机构要巧妙,重量要尽可能轻,即在保证功能的前提下,结构越简单越好;
(4)现场维修方便(因为比赛中机器人有冲撞);
(5)结构材料要选择重量轻、强度、刚度好的材料;
(6)充分考虑现有电气控制技术实现的可能性,尽量降低对控制的严格要求;
1.移动(行走)机构　机器人在地面上的移动方式通常有三种,车轮式、履带式和步行式。

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理,用腿脚走路,对环境的适应性好,智能程度相对也比较高。

但步行移动方式在机构和控制上是非常复杂的,技术应用上还很不成熟,不适用于要求灵活性和可靠性高的比赛中,且一般比赛有专用的场地,比较平坦,所以,竞赛机器人一般都采用车轮式或履带式移动机构。

(1)车轮式　车轮移动机构是最常用的一种移动机构,其优点是:能高速稳定地移动,机构和控制都比较简单。

但它也有一定的限制:对地面的要求较高,只适用于平整的硬质路面。

机器人在移动过程中需要根据传感器过来的信号,自动调整移动方向。

通常根据调整方向的原理不同可将车轮式移动机构分为两大类:舵机调整式和差速调整式。

舵机调整式:这种移动机构通常为3轮结构,由1个中心前轮和2个后轮成三角形布置。

如图2所示:一般这种结构将操舵机构和驱动机构都集中在前轮上,2个后轮只起支撑从动作用,该结构形式在高速循线前进时有一最小转弯半径的限制,理论上其可绕2个后轮连线的中点自转,但这样在循线时通常会跑出轨道,一般其循线前进时前轮偏转角度以不大于45度为宜,而且这种结构前轮驱动集中,结构比较复杂。

但这种结构运行时比较平稳,侧向定位精度较高。

图2　舵机调整式
差速调整式:这种移动机构通常为4轮结构,中间为两个独立驱动轮,前后各一万向从动轮,成菱形布置。

如图3所示
:
图3　差速调整式
这种结构前后轮为万向脚轮,左右两轮为独立驱动轮。

与舵机调整式相比,其自转中心与车体中心重合,通过两驱动轮的速差来调整方向,当两驱动轮以相同速度相反方向转动时,车体能绕自身中心实现自转。

而且可以实现循线前进或循线后退,因此,它的灵活性好,机器人比赛中通常都采用这种结构形式。

但它的缺点是前后万向轮有时不能同时着地支撑,在高速启动和刹车时车体会产生后仰和前冲,为了克服这种缺点应当尽量将车体的重心配置在两个驱动轮连线的附近旁,减少惯性的影响,前后万向轮采用弹性连接方式。

(2)履带式　履带式移动机构是一种类似于坦克的移动机构,其结构如图4所示
:
图4　履带式
履带式的优点是着地面积比车轮式大,着地压强小,与地面摩擦力大,对地面要求低,可在有一定坑洼的路面上行走。

履带式的缺点是转弯不如车轮式灵活,在转弯时也是依靠两侧履带的速差来实现,但履带式转弯时会使履带与路面产生相对横向滑动,会加大机器人车体的能耗或对地面产生一定损坏。

相对车轮式来讲,履带式的结构较复杂
2第4卷　无锡职业技术学院学报
一些,重量也比车轮式的要重,因此,当地面条件良好,摩擦力足够的情况下,在比赛机器人中常采用车轮式,只有在一些特殊场合下可考虑采用履带式,如地面有坑洼、需要上台阶、地面比较滑等。

2.常用功能性机构　在Robocon 比赛中,通常为投球
或抓取方形礼品等,所以通常涉及到投球机构和手爪机构两类功能性机构。

(1)投球机构　图5为几种抛射式投球机构。

图5　几种抛射式投球机构
(2)手爪机构　抓取方形物品通常采用手爪机构,一般可分为气动手爪和机械式手爪,气动手爪相对比较简单,直接使用双侧平移式夹紧气缸即可实现夹紧与松开,
但需在机器人上附载一个储气罐,重量较重,故比赛机器人常采用机械式手爪,图6为几种机械式手爪机构。

图6　几种机械式手爪机构
3.车体结构　因为比赛机器人在重量上有严格限制,所以一般比赛机器人的车体结构通常选用轻质材料和框架式结构,在满足刚度和强度的前提下尽可能给以减重,如打减重孔、采用焊接式结构以减少连接件等。

综上所述,竞赛机器人的机械结构设计必须突破传统的设计理念,充分发挥想象力和创造力,只有出奇招才能
克敌制胜。

在机器人的设计中最好应用三维设计软件(如
Solid works 、Pr oE 等),设计好后再用动力学软件进行运动
仿真和强度校核,以提高设计成功的比率,节约时间和经费。

(责任编辑陈永涛)
3
第1期钱晓忠:竞赛机器人的创意设计与基本机械结构　。