投球自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

投球自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

2005年，中共中央總書(shū)記舉辦了第四全國(guó)學(xué)生機(jī)器人電視大賽。比賽的主題是參加長(zhǎng)城和升火。比賽分為三個(gè)部分：鳳火臺(tái)、自動(dòng)區(qū)域和手動(dòng)區(qū)域，如圖1所示。本屆大賽的意圖是通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)機(jī)器人協(xié)作，向主火炬、4個(gè)外圍火炬和4堆篝火盤(pán)添加燃料得分。其中高度為1800mm的主火炬位于場(chǎng)地正中，主自動(dòng)機(jī)器人向主火炬己方盤(pán)中添加燃料球，每添加一個(gè)燃料球記5分；手動(dòng)機(jī)器人向4堆篝火盤(pán)添加燃料，每添加一個(gè)燃料球記1分；本文所研究的投球自動(dòng)機(jī)器人向4個(gè)外圍火炬己方盤(pán)中添加燃料，4個(gè)高度為1500mm的外圍火炬在主火炬的四周，投球自動(dòng)機(jī)器人在自動(dòng)區(qū)行走，自動(dòng)區(qū)貼有30mm寬的白色引導(dǎo)線(xiàn)，該機(jī)器人可循線(xiàn)行走，自動(dòng)找到篝火盤(pán)并添加燃料1投球自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)投球自動(dòng)機(jī)器人需要完成的工作任務(wù)和工作環(huán)境非常明確，因此，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程是：（1）根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和工作環(huán)境確定機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)，完成總體方案設(shè)計(jì)；（2）創(chuàng)造性設(shè)計(jì)完成機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)；（3）確定機(jī)器人的控制方案并實(shí)現(xiàn)投球自動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要包括行走機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、投球機(jī)構(gòu)三大部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖如圖2所示。投球自動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)為四輪機(jī)構(gòu)，前面兩輪為主動(dòng)輪，左右兩主動(dòng)輪分別由Maxon直流伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)，后兩輪為從動(dòng)輪，采用萬(wàn)向輪式結(jié)構(gòu)，可以自由旋轉(zhuǎn)。通過(guò)左右主動(dòng)輪差速運(yùn)轉(zhuǎn)可使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。投球自動(dòng)機(jī)器人直線(xiàn)行進(jìn)時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)同速運(yùn)轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)采用了與電機(jī)配套的減速器，主動(dòng)輪通過(guò)平端緊定螺釘將車(chē)輪的輪轂與減速器的輸出軸結(jié)合在一起，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)；設(shè)計(jì)主動(dòng)輪時(shí)，為了減小整個(gè)車(chē)體的震動(dòng)，加大車(chē)輪和場(chǎng)地的摩擦力，在車(chē)輪上設(shè)計(jì)了實(shí)心的橡膠輪胎，當(dāng)輪胎安裝在輪轂上以后，通過(guò)沉頭螺釘將擋圈緊固在輪轂上，從而在軸向固定輪胎，避免出現(xiàn)輪胎脫落的現(xiàn)象。機(jī)器人投球機(jī)構(gòu)采用傳送帶投燃料球。傳送帶投燃料球可以降低不穩(wěn)定性，提高成功率。傳送帶投球機(jī)構(gòu)由傳送帶、傳送帶電機(jī)、減速器、計(jì)數(shù)器、張緊裝置，底板及外罩板等組成，如圖3所示。整個(gè)裝置裝在底板上，通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)上升，整個(gè)傳送帶通過(guò)帶滑道的軸承座對(duì)傳送帶進(jìn)行張緊。舉升機(jī)構(gòu)用于調(diào)整傳送帶投球機(jī)構(gòu)的投球角度，到達(dá)指定角度后停止，然后由傳送帶將球拋出。2投球自動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)作為控制器，通過(guò)單片機(jī)的控制，使機(jī)器人能夠自動(dòng)地按照預(yù)定的路線(xiàn)行走、定位；當(dāng)機(jī)器人定位后，能夠控制放球系統(tǒng)進(jìn)行賽球的準(zhǔn)確放置，控制軟件采用匯編語(yǔ)言程序編寫(xiě)。投球自動(dòng)機(jī)器人工作流程：（1）啟動(dòng)機(jī)器人階段，在比賽開(kāi)始后，接通電源開(kāi)關(guān)，設(shè)定進(jìn)攻策略，啟動(dòng)投球自動(dòng)機(jī)器人；（2）尋找外圍火炬，即按照規(guī)劃進(jìn)攻策略，機(jī)器人通過(guò)光電傳感器跟蹤線(xiàn)條，尋找外圍火炬并接近火炬；（3）投球階段，按進(jìn)攻規(guī)劃向己方外圍火炬燃料桶投球并計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后，尋找另外火炬并投球。2.1投球自動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用8051單片機(jī)作為控制器，其硬件主要完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制、信號(hào)系統(tǒng)的采集等，其中投球自動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與單片機(jī)的接口采用專(zhuān)用接口芯片L293，該芯片內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A,V2.2機(jī)器人循線(xiàn)檢測(cè)思路投球自動(dòng)機(jī)器人循線(xiàn)系統(tǒng)的工作原理是：整個(gè)循線(xiàn)系統(tǒng)主要是由比較電路板和光發(fā)射接收板兩大部分組成，光發(fā)射接收板上的發(fā)光二極管發(fā)光，照射到地面上后，不同顏色的地面對(duì)光反射性能的不同，從而反射光進(jìn)入到光電三極管中的強(qiáng)弱也跟隨著發(fā)生變化，導(dǎo)致光電三極管產(chǎn)生的光電流大小有差異，光電流通過(guò)比較電路板將模擬電流信號(hào)經(jīng)比較器比較后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)選通器選通后，分別輸入到單片機(jī)中，在單片機(jī)中將輸入信號(hào)與理論信號(hào)進(jìn)行比較，從而判斷機(jī)器人的當(dāng)前位置狀態(tài)在機(jī)器人上共安裝有24個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別安裝在機(jī)器人前后位置的兩個(gè)安裝板上，每一個(gè)安裝板上有12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。其檢測(cè)點(diǎn)在每一個(gè)安裝板上的布局示意圖如圖5所示。在機(jī)器人循線(xiàn)的過(guò)程中，循線(xiàn)系統(tǒng)24個(gè)檢測(cè)點(diǎn)采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較、轉(zhuǎn)換、放大、隔離后，輸入到8051單片機(jī)系統(tǒng)中，需要8051單片機(jī)及時(shí)地做出處理，8051單片機(jī)共有I/O端口32個(gè)，除去輸出控制端口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和幾個(gè)命令輸入端口以外，其作為信號(hào)輸入端口的數(shù)目就不足以提供給24個(gè)檢測(cè)點(diǎn)用。因此在檢測(cè)點(diǎn)采集信號(hào)進(jìn)入8051單片機(jī)前，在P0口擴(kuò)展一個(gè)8255，使檢測(cè)點(diǎn)的采集信號(hào)分時(shí)輸入到8051單片機(jī)中，通過(guò)軟件控制8051單片機(jī)對(duì)8255的選通時(shí)間和選通信號(hào)通道來(lái)達(dá)到檢測(cè)采集的目的。從理論上講，機(jī)器人的檢測(cè)點(diǎn)越多、越密，則識(shí)別路線(xiàn)的準(zhǔn)確性與可靠性就越高。但是這樣卻增加了硬件安裝和編制軟件的復(fù)雜程度。圖5中的圓圈代表一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的中心位置，每一個(gè)安裝板的檢測(cè)點(diǎn)呈非線(xiàn)性的排列，保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有較大的偏向檢測(cè)能力和糾錯(cuò)能力，且相對(duì)于白色指示帶對(duì)稱(chēng)分布，讓機(jī)器人的中軸線(xiàn)盡量與白色指示帶的中心線(xiàn)重合，中間的4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分布在白線(xiàn)的左右兩邊，使循線(xiàn)裝置的這4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于白線(xiàn)的位置變化較為敏感。其余兩側(cè)的8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的分布較為分散，主要是為了在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或跑偏時(shí)大范圍的“捕捉”白線(xiàn)之用，這就可以保證機(jī)器人在比賽中自動(dòng)循線(xiàn)前去，在到達(dá)外圍火炬己方盤(pán)中時(shí)啟動(dòng)投球機(jī)構(gòu)，完成添加燃料球得分任務(wù)。3