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工程越野对抗机器人设计与调试

2018-08-09杨子江杨兴明曹彪王昊波刘涛杨鹏颂

科技资讯 2018年8期
关键词:灵活性越野控制

杨子江 杨兴明 曹彪 王昊波 刘涛 杨鹏颂

摘 要:本文设计制作了一款工程越野对抗机器人,能够方便快捷地实现越野、对抗和物料抓取功能。在机械结构方面,选用无刷电机作为驱动装置,动力十足;采用铰接式转向机构,灵活性好、适应性强,能够应对各种复杂障碍;选用专业越野型轮胎,并采取后轮减震方式,保证了其越野性能;设计制作了二自由度机械抓手,结构简单、实用性强、可靠性高。在控制方面,采用RC3S遥控器和R4EH-H接收机,可靠性高、抗干扰性强。针对调试过程中的问题,进行了相应的改进,使整机性能得到优化和提升。

关键词:机器人 越野 铰接式 控制 灵活性

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2018)03(b)-0098-03

Abstract:This article has designed and manufactured a project off-road combat robot, which can realize cross-country, confrontation and material grabbing functions conveniently and quickly. In the mechanical structure, the use of brushless motor as a driving device, full power; the use of articulated steering mechanism, flexibility, adaptability, able to cope with all kinds of complex obstacles; use of professional off-road tires and rear shock absorption mode, To ensure its off-road performance; design and manufacture of two degrees of freedom mechanical gripper, simple structure, practicality, high reliability. In the control, using RC3S remote control and R4EH-H receiver, high reliability, strong anti-interference. Aiming at the problems in the process of debugging, the corresponding improvements have been made so that the performance of the whole machine can be optimized and improved.

Key Words:Robots; Escape; Articulated; Control; Flexibility

机器人技术融合了机械电子工程、计算机工程、材料工程、控制工程和电气工程等多学科的综合技术优势,代表着当代最新科技水平。随着科学技术水平的提高和世界经济的快速发展,工程机器人越来越广泛地被应用到各行各业中,尤其是在高危、恶劣环境,枯燥、繁重的作业领域需求迫切。因而,工程机器人的开发与应用,引起了世界各国的高度重视[1-3]。本文基于模块化设计理念,设计并制作一款工程越野对抗机器人,兼具越障、对抗和物料抓取功能。

1 整体方案设计

工程越野对抗机器人系统主要包括驱动模块、转向模块、抓取模块、控制模块[4]。整体方案设计如图1所示。

2 机械结构设计

2.1 机架模块

工程越野机器人机架模块的作用是连接并固定其他各模塊。机架采用“探索者”机械创新平台模块化零件制作完成,该零件符合国际零件标准,采用优质铝合金,美观耐用。设计以简洁、紧凑为原则,并为各模块安装预留足够的空间[5]。机架为前后分体式结构,可以极大减小机器人转弯半径。展开尺寸为380mm×280mm×290mm。

2.2 转向模块

转向模块是一切车型机器人不可缺少的部分,它不仅影响到车体的牵引性,更直接关系到车体的机动性及转向灵活性。本着设计简单、灵活的设计原则,采用铰接式转向方案。

铰接式转向模块如图2所示,依靠轮式底盘的前轮、前机架、工作装置,绕与前后机架的铰接销做水平摆动进行转向。此方案结构简单、灵活性好、越障性能出众,成本也较低[6]。相关参数见表1。

2.3 抓取模块

机械抓手是机器人实施抓取和对抗的核心部件,一款实用高效的机械抓手会使任务变得简单[7-8]。依据结构简单、操作简便的原则,采用二自由度方案。机械抓手主要由两个标准舵机驱动,一号舵机控制开合,采用开关信号控制,开合角度在0°~180°之间。二号舵机控制抬起,能够将抓取到的物料抬起一定高度,采用模拟信号控制,机械臂将在-5°~+45°范围内摆动,以满足抬起任务。

3 控制系统设计

3.1 控制模块

3.1.1 遥控器与接收机

2.4GHz无线技术是近些年快速发展起来的一种短距离无线传输技术,其优点在于可满足多台设备同时工作互不干扰,提高了无线遥控系统的稳定性和可靠性[9]。本设计使用环境中各种信号交织,对稳定性、可靠性和抗干扰性都要求较高,故使用基于2.4GHz技术的遥控器与接收机。

(1)遥控器。

选用的RC3S遥控器,最大控制范围可达400m,最长工作时间可达5h,抗干扰性强,适合复杂电磁环境。

(2)接收机。

选用的R4EH-H接收机是典型的高压接收机,可支持7.4V直流电直接供电,而舵机的驱动电压大多为6V,可直接驱动伺服舵机工作。

3.1.2 电子调速器

电子调速器是用来控制电动机的转速和转向。与普通的机械式调速器相比,有体积小、寿命长、效率高、输出功率大的优点。本设计采用HOBBYWING QUICKRUN 60A电调。

图3 机器人实物模型

3.2 驱动模块

驱动模块主要包括无刷电机与标准舵机。无刷电机主要为整个车体运动提供动力,标准舵机为机械抓手的抓取动作提供动力。

3.2.1 无刷电机

无刷电机由电动机主体和驱动器组成。与有刷电机相比无刷电机的转子是永磁钢,定子是绕组线圈,去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷,故称之为无刷电机。本设计选用3650型有感无刷电动机,采用后轮驱动方式。

3.2.2 标准舵机

标准舵机是舵机的一种,其特点是不能完成整周回转,旋转角度只能在-90°~+90°之间,机械抓手主要由两个标准舵机驱动,实现空间二自由度的运动。

4 机器人整机组装与调试

4.1 整机组装

将各模块通过预留的接口组装在一起构成了机器人整机,总质量1560g,结构形式见图3。

4.2 整机调试

(1)减震问题。

初步设计为四轮独立减震,但调试中发现,四轮独立减震方案存在空间浪费,减震装置与机架结合不好,高速震颤等问题。针对这些问题,同时结合本设计特点,大胆取消了前轮避震装置,仅保留后轮避震装置,以此保护较为重要的后半部车身上的电气设备。经过反复调试,减震问题得到解决,整机性能也得以优化。

(2)高速难控制、低速不稳定问题。

初步设计选用无刷无感电机,调试中发现,机器人在通过障碍、对抗攻击、抢夺物料时由于启动与运行速度过快,造成前轮翘起,不易控制,但无刷无感的电机在低速时,由于动力输出问题导致车体剧烈抖动。该矛盾问题总结为:高速难控制,低速不稳定。故改选无刷有感的电机,这种电机在低速时能够保证良好的稳定状态。同时将初步设计的轮胎改为直径10.5cm的RC1/10全地形车胎,提高抓地能力的同时也增加了稳定性。

5 结语

依据模块化设计理念,设计、制作并调试了一款工程越野对抗机器人,兼具越野、对抗和物料抓取功能。实践证明,控制模块动力强劲;转向模块灵活性好、适应性强;抓取模块结构简单、实用性强;控制模块可靠性好、稳定性高。经过调试,解决了整机运行过程中的减震问题与高速难控制、低速不稳定问题,优化和提升了整机性能。该设计、制作、调试过程也为相关领域研究提供了很好的借鉴。

参考文獻

[1] 王田苗,陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报,2014,50(9):1-13.

[2] 谭民,王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报,2013,39(7):963-972.

[3] 汤鹏洲,罗铭,朱萍.工程机器人技术发展与应用[J].机器人技术与应用,2015(4):23-28.

[4] 段星光,黄强,李京涛,等.多运动模式的小型地面移动机器人设计与实现[J].中国机械工程,2007,18(1):8-12.

[5] 林彤,金濯,任玲.基于探索者机电创新平台的全地形车研制[J].中国教育技术装备,2016(22):41-44.

[6] 刘从华,赵斌,高秀华,等.多轴转向车辆转向机构优化设计[J].农业工程学报,2007,23(9):81-85.

[7] 沈健.几种常用的二指平动抓手的结构和特点[J].组合机床与自动化加工技术,2005(12):86-88.

[8] 黄玲涛,倪涛,黄海东.面向柔软物体抓取的遥操作工程机器人位置反力控制[J].农业机械学报,2015,46(10):357-363.

[9] 李蛟,杨仁锟,肖峻.2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能[J].电信工程技术与标准化,2006,19(3):31-35.

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