Robomaster大赛的哨兵结构优化设计

2021-06-16刘疏桐张瑞志吴振豪阮永锋

电子制作 2021年2期

刘疏桐，张瑞志，吴振豪，阮永锋

（沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳，110136）

RoboMaster 机甲大师赛[1]是由共青团中央、全国学联、深圳市人民政府联合主办，DJI 大疆创新发起并承办的机器人赛事，作为全球性的射击对抗类的机器人比赛，在其诞生伊始就凭借其颠覆传统的机器人比赛方式、震撼人心的视听冲击力、激烈硬朗的竞技风格，吸引到全球数百所高等院校、近千家高新科技企业以及数以万计的科技爱好者的深度关注。

哨兵是赛场上唯一的全自动机器人，对地面机器人进行反击，它有一个发射机构，可以发射17mm小弹丸，通过控制云台电机实现在一定的角度范围内俯仰运动；同时也有移动机构，可以在轨道上做定向运动。为了提高哨兵在新赛季[2]的表现，本文主要研究哨兵在结构设计方面提出一些优化方法。

1 双云台设计

为了规避敌方机器人的攻击，需要哨兵能够快速的运动，可以在轨道上设计两个云台[3-4]。新赛季对哨兵的要求变化较大，轨道形状改为直轨道，在设计哨兵底盘上的轮系组合时可以做相应的改变，增加一个发射机构，由于哨兵的整体尺寸有一定的限制，需要合理布置两个云台的位置，最大限度的发挥哨兵的反击能力，但发射机构的增加，必然会导致整体的重量增加，所以还要想办法合理减轻整体的重量，使哨兵可以更加迅速的在轨道上进行移动，更好的规避敌方机器人的攻击。

2 加强哨兵的攻击能力

哨兵的攻击能力是大赛取胜的关键，也是影响哨兵性能的主观因素。为了提高哨兵的攻击能力，我们在大赛设备的设计和制作的过程中，重点研究了新云台的设计制作，以及如何布置两个云台，如何减轻云台发射机构的重量，提高反击效率。

（1）新云台的设计

由于上赛季的哨兵只有一个挂载在底盘下方的下云台，所以另外一个云台要重新设计制作。而且我们把另一个云台的安装位置定在轨道上方，因此新云台的设计要符合上云台的这一角色设定，更多的任务是防空，地面的火力更多的交给下云台去进行处理。

（2）移动的稳定性

比赛中哨兵的移动靠的是一个主动轮，并在两侧用两个辅轮夹紧轨道。但是在一场比赛下来，两侧的辅轮可能会打滑，撇向一侧，影响机器人的规避速度和射击精度，甚至会损坏机器人结构。我们通过反复的实践并修改辅轮结构的相应参数，找了出一套稳定的方案。

（3）整体的轻量化和可靠性

在加入了上云台后，哨兵整体重量增加了近一倍。上赛季的哨兵以规避为主，反击为辅，新赛季的哨兵上就恰恰相反了，但也不能忽视了规避的重要性。通过对一些机械结构的简化和材料的选择优化，并对关键的部位进行应力分析，在减轻重量的同时也能保证可靠性。

3 哨兵机器人的结构设计

为了加强哨兵机器人的攻防能力，我们对强哨兵机器人的结构进行了优化设计，通过solidworks建模，adams和matlab联合仿真，单片机调控，并加入视觉技术，我们完成了新赛季哨兵的初步设计，设计图如图1所示。

图1 哨兵设计图

(1)采用“三面包夹”轮系结构

底盘结构放弃传统的四面包夹结构，因为重力的原因，底面的包夹轮系实际上是一个虚约束，在哨兵巡航时，可能会给侧面的辅轮施加过大的压力，损坏结构。所以去除底部轮系，只保留上左右三面包夹，如图2所示。且左右两组轮系上装有弹簧，可以在一定范围内相对转动，保证了哨兵安装和巡航时的可靠性，如图3所示。

图2 “三面包夹”轮系结构

图3 弹簧连接（弹簧未画出）

（2）新哨兵上云台的设计

上云台（如图4所示）的任务主要是防空，同时也要求兼顾地面火力。为满足这一要求，我们将上云台的发射机构位置前移，保证了发射枪口在pitch轴方向上有足够的活动空间，俯仰角方案初步定为45度仰角，60度俯角（如图5，图6所示）。同时，为了保证pitch轴的响应速度，云台的弹舱也从上一代放在发射机构上改为放在上云台底板上，减轻了pitch轴绝大部分重量，目前的pitch轴基本可以做到无延迟响应。

图4 新哨兵上云台

图5 45度仰角

图6 60度俯角

（3）环氧板榫卯

哨兵是一个需要轻量化的英雄，它的构造基本由环氧板组成，板和板之间通过榫卯结构完成一定强度的连接。榫卯结构具有良好的抗压抗震的效果，用在了哨兵底盘的制作上，使哨兵底盘具有更好的承重能力，可以在运行中很好的将云台倒挂，同时其自身不易发生形变，并实现简单快捷的稳定连接。

图7 轻巧牢固的榫卯结构

为了使哨兵整体轻量化，我们对机器人的材料结构进行了分析筛选，最终选用了2mm和3mm的环氧板和碳板，价格经济，强度合适，并且基本避免了铝管等金属材料的使用，连接部分也大量采用轻巧牢固的榫卯结构（如图7所示）。而且对于一些受力条件比较复杂的零件，为保证其材料的强度，我们特意做了应力分析（如图8所示），进而对零件的形状进行优化改进，保证结构的可靠性。