基于ROBOMASTER比赛步兵机器人的研究和分析

郭凯 陈阳生 韦鉴芳 翁钰 周增泰 唐亮 黄博俊

摘   要：在ROBOMASTER 2019赛季中，步兵机器人技术日渐成熟。由于在整个机器人阵容中，步兵数量多、体积小、灵活性和机动性强，成为机器人阵容中战术执行与输出伤害的主要力量。文章围绕ROBOMASTER比赛中的步兵机器人，探究机器人的发射机构、弹仓设计等技术点。为了研发出性能更加优异的步兵机器人，设计者在对赛季规则进行了深刻解读的基础上，对步兵机器人的各项功能进行了需求分析。在设计层面上，设计者基于Solid Works建模及其附带的多种仿真分析软件构建出机器人的三维模型，在搭建好实物后不断地测试以进一步优化，最终设计出可以满足比赛需求的机器人。步兵机器人在历年的比赛中为战队做出很多贡献，并创造了多种设计方法，为类似机器人的研发提供了新的思路。

关键词：ROBOMASTER;步兵機器人;发射机构;步兵云台

在ROBOMASTER 2019赛季中，步兵机器人技术日渐成熟，由于在整个机器人阵容中，步兵有数量多、体积小、灵活性和机动性强等优势，成为机器人阵容中战术执行与输出伤害的主要力量。为了研发出性能更加优异的步兵机器人，设计者在对赛季规则进行了深刻解读的基础上，对步兵机器人的各项功能进行了需求分析。在设计层面上，设计者合理地运用悬挂系统以保证步兵机器人底盘的稳定性;步兵机器人底盘采用双层铝方管形式，在底盘尺寸尽可能小的同时保证了坚固性;更新了工业相机的固定方式，使自动瞄准更加稳定;更改了弹仓结构，在保证弹容量的基础上使弹仓更加紧凑。步兵机器人在历年的比赛中为战队做出很多贡献，并创造了多种设计方法，为类似机器人的研发提供了新的思路。

1    研发背景与意义

作为ROBOMASTER赛场基础兵种之一，步兵机器人具有较小的体积和最多的数量，是整个机器人阵容中战术执行力最高的机器人兵种，因此，步兵机器人的稳定性与效率直接决定了整个战队的发挥水平。步兵机器人在战场上的主要任务有：

（1）占领高地，为己方提供敌情。

（2）获取17 mm小弹丸，对敌方造成有效伤害。

（3）飞坡深入敌后，对基地造成伤害，出其不意。

（4）配合己方机器人，实行战术。

在比赛期间，一旦步兵机器人出现状况，则意味着整个战队陷入巨大劣势，基本没有胜利的可能性。

2    需求分析

在2020赛季中，步兵机器人的主要任务有：

（1）打击神符、哨兵。

（2）飞坡偷家。

（3）上台阶。

（4）补弹。

2.1  具体需求

经过分析，相对应的需求有以下几点：

（1）稳定并且高精度的弹道，足够的弹丸初速度。视觉识别点与击打点保持一致。

（2）云台有足够的强度，避免云台倾斜甚至云台掉落的情况。底盘有足够的强度，质量尽量小，能悬挂足够的行程。

（3）质量小、体积小，能稳定且流畅地登上台阶。

（4）接到尽量多的弹丸，不漏弹，机器人行进在飞坡过程中弹丸不会从弹仓中撒出。

2.2  可行方案

经过讨论分析，得出相应的可行性比较大的方案：

（1）发射机构重新设计，更换弧面摩擦轮，通过结构设计将工业相机与发射机构刚性连接，作为整体。

（2）Yaw轴轴承座配合深沟轴承与传动轴，取消焊接，采用双层铝方管连接。设计相应的避震座，使得更长行程的避震器可以应用在步兵上。

（3）增加一套连杆抬升机构。

（4）设计上部大、下部小的漏斗型弹仓，自锁拨杆开合弹仓盖的机构。

3    步兵云台详细设计

3.1  云台需要满足的技术参数

Pitch轴俯角不小于30°，仰角不小于45°;Yaw轴可在Pitch轴任意角度相对底盘360°自由旋转;发射机构流畅发射17 mm小弹丸，最大射频可达到20发/s，最大射速可达到30 m/s;弹仓可容纳弹丸数量不少于250发。

3.2  发射机构设计

3.2.1  拨弹机构

拨弹机构影响的是机器人的攻击力，只有拨弹机构不卡弹、供弹快，才能在ROBOMASTER比赛里占据进攻优势，才能让团队的战术执行更加高效。即所谓的“工欲善其事，必先利其器”。

由2006电机提供动力，使拨轮旋转充分搅动弹仓内的弹丸，防止弹丸滞留在弹仓内部;并且拨轮带动拨盘底部的弹丸使得弹丸沿着拨轮切线方向进入枪管。通过控制拨轮电机的转速就可以控制弹丸射出的射频。

在实际测试中，如果拨轮电机转速过快，弹丸会来不及下落而导致空弹;调节拨轮电机转速，转速在300 r/m时，弹丸可以顺利下到拨弹盘底部。在拨轮电机转速达到极限时还有一定卡弹的概率，主要原因是弹丸卡在入弹口处，这时候控制电机反转将弹丸松动即可解决。

后续的测试中依然存在频繁的卡弹现象，通过观察发现，在拨轮拨弹时拨轮受力使得拨轮与拨盘不同心，导致拨轮切线与拨盘切线不重合而卡弹。主要原因在于拨轮电机固定件强度不够，但是因为尺寸和重量的限制又不能一味地加强固定件。于是在拨轮下放置薄壁轴承与推力球轴承，让轴承承受推出弹丸的反作用力。经过测试连续打出250颗弹丸不会出现明显的卡弹现象，射频基本达到要求。

3.2.2  发射机构

弹丸经过拨弹机构进入枪管后，需要一个加速的过程，将弹丸发射出去。这时候就需要一个对转双轮机构，经过对转双轮高速旋转而使弹丸加速弹射出去。对于对转双轮，双轮线速度可近似看作弹丸发射速度。通过给双轮包胶来增加双轮对弹丸的摩擦力，双轮也称摩擦轮。摩擦轮的中心距、直径以及包胶材料和软硬度摩擦系数影响了摩擦轮对弹丸的摩擦力。摩擦轮的尺寸质量决定了摩擦轮的转动惯量。摩擦力与转动惯量在很大程度上决定了摩擦轮对弹丸的加速能力。

通过设计弧形摩擦轮增大摩擦轮对弹丸的摩擦力。采用与3508直连的方式为摩擦轮提供动力。因为尺寸与质量的限制，摩擦轮尺寸不宜过大。在合适的尺寸质量下，通过公式：

J=1/2mR2

近似计算得摩擦轮的转动惯量为0.018 9 kg·m2。

在此条件下，设置摩擦轮包胶材料为聚氨酯，硬度为45，50，55，60的不同组分别进行测试。在3508电机转速为214 r/m的条件下，55硬度的摩擦轮对弹丸的加速能力、弹道的精准度效果最佳。

3.3  弹仓设计

2020年补给站一个高度为850 mm，一个高度为600 mm。由于出弹口尺寸较大，距离弹仓也有一定高度，为防止弹丸下落到机器人弹仓过程中出现弹丸散落的问题，决定采用漏斗形结构，在保证弹仓容积的情况下加大了接弹口，减少弹丸散落。

为了配平将重心集中在Pitch轴线上，所以将TX2放置到弹仓后后部配平重量。但是这样的做法占用了大量弹仓的空间，为保证弹仓容量，须将弹仓加高。通过利用Solid Works的多实体和布尔运算功能计算，弹仓容量在1 112 406 mm3左右，通过球体紧密堆积原理保守计算得理论17 mm弹丸容纳数量为320颗左右。

弹仓变得更深而且主要在拨弹盘上方，使得弹丸更加集中在拨弹盘上方，在步兵仰起云台打击哨兵时拨弹盘可以顺利拨到弹丸，避免了弹丸滞留在弹仓内的情况。弹仓底部为一整块打印件。弹仓外部本想用铝合金钣金折弯，但是考虑到钣金折弯强度不够的问题，决定采用板材拼接的方式。2 mm碳板加角件铆钉拼接，再用螺钉加方形螺母连接到弹仓底部打印件。

弹仓盖采用拨杆旋出的方式。该设计的优越性在于弹仓盖闭合时可以与拨杆自锁，无法在外力的作用下旋开，这就避免了步兵在行进过程中因为弹仓开合电机扭矩不够弹仓打开导致漏弹的情况。

4    结语

通过实验的验证，步兵机器人云台的设计达到了比赛的技术要求。通过Solid Works建模软件及其附带的分析软件确保了机械运行的可行性。在实际的测试中找出存在的问题，并解决问题，不断优化，确保了机械运行的可靠性与稳定性。

步兵云台的设计不光为比赛服务，云台设计的许多技術点都可以应用于实际中。而且步兵云台设计需要多学科知识，这激发了学生的学习兴趣，强化了学生对知识的应用，并且提高了学生对问题的分析能力及解决能力。

[参考文献]

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]范顺成.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]陈才烈.简易网球自动发球机的研制与应用[J].体育科研，2008（29）：5.

[4]崔静.自动乒乓球发球机设计及其控制系统的研究[D].长沙：中南大学，2007.