工程越野对抗机器人设计与调试

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

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