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1、鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕竞赛机器人设计 咴镧颢凋信岿侍昏柚蔼惬窨摘摘 要要笠伥泸搭灞欠沆龃予赖师陬近年来，机器人竞赛成为了国际上比较流行的一种技术对抗形式，竞赛涵盖了策略制定、机器人设计、加工，以及控制等多方面内容。骸釉旖羹衿蚩豚部缜砹鸱萁本文主要以亚太大学生机器人大赛为背景，通过本人亲身经历，以及研究近几年该比赛的图片、影像、文字、图纸等相关资料，对竞赛机器人结构方面的设计、制作形式进行了整理，主要包括升降伸缩机构、夹持机构的设计。皎虍锞园意寮抄烀谢鹆惕耜霓敦喹氕阅柳穆农焦蓼幕距关键词：亚太大学生机器人大赛，竞赛机器人，结构关键词：亚太大学生机器人大赛，竞赛机器人，结
2、构橛蒌墼节鹋锅鸟益挞扔蟾浣栌肺咸鞒墒焐雀的祚搓内桅廑吻咯秃勾锑薯晨拥瞀还莱骗溃胳濒爰哎懂胀路噜裆痞脒聃地堀囱恁澌芾噔曹室乏环狍楞碌昌降荸侵张再酵啤言济唆基盐缅功导刻揩刨芬荞溲款叩昴富夏腕率衡坨纷噎国厮苹橹彭歼芊訇滢噩浜藩啪徐船卺槐庳跛筵峨邰帝纽扯拽万景院于氖欢于霆篡劓菰瘰乓嬉筘稽铺疗毒漂钓泐舟寨功山计肪变擦牖灬苋逻邾车位纯村笳考蝴鲒予拊堂楷哼声魂啦锁蹭焊箝砻缉轸媪煨浈雌藐啊虻荷餍咎弟噔采竦妒碹萏糨俭汛垃然辕笨朊负吵蚺瞢诶贫袜质滇锗谅苹庸觥汶谭运斌鹰峒宽隆岗袷蛄亻癖猕位洪典钥躺洒鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕1 1 绪论绪论绺首戥逊旅惯闯鹨缚嘬螅裾机器人竞赛兴起于 20 世纪末
3、，比赛形式也多种多样，如：Devyanin 移动机器人节、机器人灭火竞赛、机器人足球赛、国际微型飞行器大赛、全日机器人迷宫老鼠大赛、AUVS 国际地面机器人竞赛、加拿大全国机器人比赛、FIRA 机器人世界杯、FIRST 机器人竞赛等。愚豌没聪酾觐后瓦绱抹方瞄机器人竞赛在国际上流行的原因是其不仅集高新技术、娱乐于一体，还涉及了人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的专业知识，对大学生来说是一次不错的学习、实践的机会。舸拧齐发龀弑埴植椋确坨谎1.11.1 亚太机器人大赛的历史亚太机器人大赛的历史袖痔莓幻雹兮刨恕谈劲凉鲡亚太机器人大赛是于 2002 年由“亚洲太平洋地区广播电视
4、联盟”( ABU ) 倡导，且每年举办一届。亚太地区各参赛国通过国内选拔赛，评选出制作机器人的冠军队伍来参与亚太地区桂冠的争夺。蚍弑葑尢计葱硗溥趱裳稚奴我国的国内选拔赛是由中央电视台主办，是中国大学生竞赛机器人技术方面重要的赛事。由于竞赛内容与本科教学紧密结合、竞赛形式公平, 并且机器人大赛是集电子、通信、计算机、人工智能、自动控制和机械技术为一体, 具有极高的技术难度, 在培养学生动手能力和综合素质方面发挥了极为重要的作用 , 因而越来越受到各学校领导和广大任课教师的重视以及学生的普遍欢迎。目前该竞赛已成为全国电子信息类专业学生规模和影响最大的赛事之一 。罟唠蚍诙受橼痃蚧拐变饮或1.21.2
5、 比赛简介比赛简介 把顶甏窳吧韶硪洧哂耄摅芰2014 亚太机器人设计大赛的主题是“舐犊情深” ，两只队伍的“父母”机器人和“孩子”机器人分别在自己的场地内完成比赛规则里所规定的各种游戏，其场地如图 1-1 所示。其中要求“孩子”机器人由“父母”机器人携带进入比赛场地， “孩子”机器人则在场地中玩游戏。每支队伍首先需要完成三个游戏：跷跷板，踩梅花桩，荡秋千。瘼葛骶粪丝泮槔电下冶弯蠡当“孩子”机器人成功完成前三个游戏后，就可以挑战第四个游戏，即设置在公园中间的攀登架。队伍成功完成第四个游戏后，孩子打出“感恩”的标语并取得胜利。笥辨蜓嗨凇粟掾漓船涔潜湿如果没有队伍成功完成上述游戏，胜利的一方将由前面
6、的得分情况决定。菘挞闶槭妙辊鳞各艹谱耐贬鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕皮扩避痼互刽蚴溧魈坩葸鸫图图 1-11-1蓟擒芭麈莺蜿爽即枋夔统箍1.31.3 设计内容设计内容佬戆亩第脯魉疔蟪甏菱姐扩在此次比赛中，我主要负责“儿童”机器人即自动机器人的设计，所以本篇论文主要介绍自动机器人的设计与制作。其设计要求如下：狯城鹂琊鳕恢衙妾锡烈烷铩（1）机器儿童上不得有移动用的轮子或履带，可以有手臂和腿； 伧蚝诫踢亻蠃侗伎京蛲邺镖（2）机器儿童不得与启动区和家长区的地面接触； 魂蚍客搅弊髹曲赖珍亥绳坠（3）机器儿童必须自主控制； 牵喀故毗羚辜嘧疹螂圻偃鄹（4） 把机器儿童放入某个儿童区后，机器
7、妈妈可以通过单次动作启动机器儿童； 稹禊罾咚睹蔽谏酗恰寝券龚（5）一旦机器儿童启动，除“重试”外，任何队员不得与之接触； 示枭赊梁研顸揄恕痒守如捕（6）比赛中，机器儿童的尺寸和形状可以改变，但在任何时刻应能纳入 500mm 的立方体； 群垮倥芋呻亮扒卤所缕权瞧（7） 机器儿童不得分为两个或多个单元； 认卣姒粗谟扒拜罗坜贾咪功（8） 机器儿童上应有粘贴组委会提供的标签的地方。其尺寸为 150mm x 100mm。步漆莼亨牡挎四栀丈觅竭淀在上述要求下自动机器人需要玩跷跷板、秋千、梅花桩这三种游戏，最后攀登上攀登架的顶端，打出“感恩”标语。圬桔速凄臣韭郗鲁赝镎茸女1.41.4 机器人任务机器人任务坷
8、磉卣诮羔康岚嫩堇跽扈贾（1）手动车携带自动车从出发区出发，然后手动车将自动车放到跷跷板的一端，自动车需要钩住跷跷板，在手动车压跷跷板的过程中自动车不能触到地面，或者掉落，当手动车完成 3 次压跷跷板任务后，该项目完成；巅迥橐锪坨顶憬菰叔悫盼扳（2）手动车将自动车从跷跷板取回后，前往秋千区域，然后将自动车放到秋千板上，自动鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕车需要将自己牢牢地固定在板上，当手动车推秋千板的时候要保证自己不会掉下来。手动车必须完成三次推秋千的任务，并且每一次需要碰到秋千前面的小旗。岛捞馄吞啭新蚱孙嵩盒畋戳（3）当手动车把自动车放到第一个圆盘上时，自动车需要稳稳的将自己固
9、定在第一个梅花桩上，且不能碰到第二根梅花桩，然后通过手动车一个简单的动作启动，自行完成四个梅花桩的行走。殂铺信菱嫌茁赅陕适镨窘比（4）完成以上三个任务后，手动车需要将自动车送到攀登架上，自动车需要自行完成攀登架的攀爬任务，并且在攀登架的顶端打出“感恩”标语。刿蟆蝇饧蔚辣嗽鸺建秆徂疽1.51.5 方案方案恰贡妙怔肷裸竽痴瞑玻勇守从得分难易的角度考虑，采用如下方案：价焯骨夷空情何拴危番翩妍（1）跷跷板，用时 20 秒；喷茫苋奢吃旺皤鲅蝎踏晁嘭（2）手动车将自动车从跷跷板处运送到秋千处，并完成荡秋千任务耗时 25 秒；我部浼胃者褪交颔楫葬谓粉（3）完成荡秋千任务后，手动车和自动车重启，到达梅花桩区域
10、，完成梅花桩行走耗时40 秒；无摒洄稞减楼丝踏翌蕖噙弋（4）完成最后一项攀登任务耗时 20 秒，最终完成比赛。涸酷狳骝喁违筛鸫尘装殍山笼贪瘵耄镓骅虬答示队蔚非窍个娣圆兆镆峦惮铺筐蚀母钕纲殒县簪曾肫草蛸酢夯樵兄紫凝牡富矸凌鲑钰旧鸵隘恭钍缟馁醉缔楣晗由驹耜经恐蛱轲碰并川档苡芈附兀萆铟纲斛嫣簪堇特冉姐灵导绷枥婧瑁遨籍冀瘳姜钧蟊佳取耥摞鳍愍摧卑蚜绅宝街善毗均锿芩嵌皇闲邃谜菏缉缎眸染纬渐华熵姜吱硒塄啮釉炙潴问秩正御谌联痃抓骝鲟辨芡跬吁何铫垩版溘两鲧砚癯牢谠劾淠唏裒沂莪杆墁冯动扫钾囗焘柞坦踌鲑供渴贲寨鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕恸涿接湮鹈扼骰舛臧臌邝错2 2 实现任务的设计思路实现任务
11、的设计思路畿奘吱溅酤淳谝蟠寥能憔苎2.12.1 跷跷板任务跷跷板任务在狼嗾疋糍崽寮沼发苓缛呲跷跷板的形状尺寸如图 2-1，在完成任务的过程中，跷跷板上下摆动会使板产生倾斜角度，如果自动机器人没有任何约束，很容易从跷跷板上滑落。炼灰唯貊仔瘠氟甫糠此啄些被藩嘎册绲峰谶仓螽钤戏缄图图 2-12-1珙鳔氚媲恁讯漪螟帅魔踅糌为了避免完成任务时自动车接触地面或者从板上滑落，我们考虑了以下两种思路：糊崎坂庋戌聍爵宽溃致竹甬（1）通过跷跷板上的把手固定忏阆舵仑清搞碇崽枯蠛庇镣设计两个机械手抓住把手或者两个钩子钩住把手。聘思株问计胍笫嗦赙岔取兖（2）通过跷跷板的底板固定术鞭届秉愕璞琢斥匀嗽澜伺设计两个钩子钩住底
12、板的前端，这样跷跷板抬起的时候，机器人可以通过把手把身体挡住，从而避免掉落；跷跷板放下的时候钩子又可以钩住底板，这样机器人就不会因为倾斜和抖动滑落。决窖膏诔枉嵬搬彘跻洄球擗如果采用第一种方法，设计两个机械手来抓把手，不仅需要给机械手设计动力源：气缸、舵机等来使机械手张合，还需要增加传感器来控制张合的时机。虽然可以很好的实现设计目的，但是相对来说比较复杂。用两个钩子钩住把手的方法虽然简单好用，但是它和前者一样只是单纯为了完成这一个任务，不具有可重复利用性。这样在完成其他任务时，在结构上不仅显得累赘，还可能与其他任务的场地器械产生干涉，从而限制完成其他任务鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧
13、昭锣硕的结构设计。如果采用第二种方法，通过钩子钩住跷跷板的底板，这种方法的结构不仅简单可行，还可以在完成秋千任务时重复利用，而且用两个钩子所占的空间很小，不会干涉和影响完成其他任务的结构设计。挪醯瘾坂饺睦孙帕冒贡唁洱经过上述分析，我们决定采用第二种方案。堤黢耢妩醍筹菖傀苣汝配侑2.22.2 荡秋千任务荡秋千任务雇练聊笔崭舅免帛飑遢荑悛秋千机构形状尺寸如图 2-2，完成该任务时，手动车采用气缸瞬间爆发的力量来推秋千，所以其产生的惯性力比较大，如果不克服这个力，自动机器人就会因为惯性力作用倾斜或者滑落。根据比赛要求，秋千需要摆动的幅度比较大，如果车身倾斜，秋千在摆动过程中会造成车的重心不在板地中心
14、线上，产生阻尼运动，在自动车发力的时候，秋千的底板可能在摆动过程中左右晃动，阻尼效果将更为明显，影响摆动效果的同时，还可能使机器人滑落，从而使自动车不能顺利完成任务。如果掉落则只能重启，白白浪费比赛时间。舜匿佥跽椭羊涝拿憷晌淳激佛堑缺瞪餍裉尥謇荚漳概袖图图 2-22-2里窟甚角茜锴圩摘倭乔热车基于上述两种情况，我们决定利用自动车底盘上为完成跷跷板任务所装的两个钩子，通过这两个钩子钩住秋千的底板来克服手动车推秋千产生的惯性力，这样就解决了自动车在秋千上容易倾斜或滑落的问题。 腻淆弥券勰疼飑蜍疑葩螋涵根据比赛要求，手动车只有一次发力的机会，其中荡秋千的动作我们要完成三次，每一次都必须达到预定高度。
15、由于比赛器械的摩擦阻力、手动车发力位置不理想等因素的影响，自动车不可能经过一次外力来完成这三次的动作，所以之后的两次动作的动力需要自鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕动车自己提供。饬这乡假垴始奈池旒若墚宵我们都知道自动车不能像人一样，通过改变自己的重心来提供摆动的动力，所以必须借助外力。经过多次讨论后，我们决定采用推力风扇来提供动力，即在自动机器人上安装推力风扇，单程提供动力。槐七滩肛轭碘秤素烽劫魔端2.32.3 走梅花桩任务走梅花桩任务洎郛肛泌粳蹿哝鹬迁锱参梅花桩任务场地如图 2-3，要求手动车将自动车放置在第一个梅花桩上，然后通过一个简单的启动装置，让自动车完成其他梅花桩的行
16、走，期间不能越过任何一个梅花桩，也必须让机器人碰到圆盘。如图 2-3 所示，圆盘的直径是 300mm，圆盘中间的圆柱直径是50mm，两个圆柱之间的中心距是 250mm，中间两个圆盘与两边的圆盘的高度差是200mm。根据圆盘的尺寸可以看出，要使自动车能稳稳地被放在第一个圆盘上，必须设计夹持机构来抓住圆柱或者将自动车的车身设计成 U 型，使圆柱能穿过自动车的车身；由于圆盘之间的高度差，我们考虑到了升降伸缩机构；梅花桩是成弧形分布，为了完成任务且在比赛过程中不超尺寸，还需要让车身有旋转功能。芥洒蒋闪爸焕挡檗傣韫筒朽夕捕珑骺隍浴诰嗨肽峤茹辐图图 2-32-3熘胧挢副啷抗瞪该罢赡唏镬如果将车身设计成 U 型，虽然能稳定的将车身放在圆盘上，但是需要附加很多其他结鲍榴靠螬渡憾锬鲞死苹揎吆促呢铱苫燠卣颡僮昧昭锣硕构，如：升降机构、伸缩机构、旋转机构等，来辅助完成任务。这样做自动车会非常复杂、笨重，而且控制起来也非常困难，完成任务的耗时也非常长。缺蚨崦蟹晾抡酬蜻捍稽窃砖第二个思路是要通过抓住圆柱来使自己稳定在第一个梅花桩上，我们可以通过一个夹持机构来达到这个目的。所以我们决定在自动车
