工程机器人技术的探究

郭凯 陈阳生 高程博 韦鉴芳 唐亮

摘要：本文探讨工程机器人机械结构的设计原理和思路，电气控制的逻辑和框架以及执行的综合性。通过软件控制和机械结构的结合，通过恰当的传感器和逻辑结构实现控制机器人完整运动。

关键词：Solidworks软件;运动仿真;电气控;逻辑分层结构

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）06-0010-03

0 引言

RoboMaste 2020全国大学生机器人大赛必备兵种工程机器人，工程机器人的抓弹平台结构是否稳定是影响战队能力的一个重要因素，设计一套稳定的抓弹平台是工程机器人的关键。根据比赛规则，利用SolidWorks软件进行对抓弹平台的运动仿真，通过keil软件编程来控制车体和抓弹机构运动及完成变形动作，以获得稳定、快速的抓弹平台。

1 资源岛结构分析

由于工程机器人在2020赛季中可以安装发射机构，要实现所有功能就要求抓弹平台设计得尽量小、轻。资源岛位于赛场的中心位置，高度为700mm、长宽均为700mm，上表面均布有九个下沉100mm、长宽均为210mm的沉孔。资源岛上的九个弹药箱分别位于九个沉孔内，每个弹药箱中装有20颗42mm弹丸，总重量约为2100克。抓弹平台的作用是将位于沉孔内的弹药箱内的弹丸搬运到工程机器人中设置的弹仓内，并且将空弹药箱抛出，让弹药箱不影响工程机器人的运动。根据团队需求，抓弹平台要实现六个弹药箱的连续抓取，以及在抓取弹丸的同时，能够交接弹丸的能力。因此决定：

（1）抓弹平台的动力源采用气缸驱动。因为气动具有检修维护简单，对环境的适应性好、有正、反作用功能、整体结构简单，可动部件少，對震动不敏感等优点。（2）在抓弹平台的活动关节使用滑轨。为了实现六连抓的功能，抓弹平台设置有向上抬升达到可以抓取弹丸的高度，向前伸，达到可以抓取第二排的弹丸的距离，向左和向右平移，达到可以抓取左右两边的弹丸。添加滑轨可以使活动的关节的摩擦力减小，增加关节的活动线性和活动精度。（3）抓弹平台中的机械爪动力源使用两个回转气缸。该气缸在0.8兆帕的气压下可以产生3N/m的扭矩，可以满足抓取弹药箱的动力需求。

2 各个活动关节设计

2.1 升降关节

根据比赛规则，在整车尺寸不超高的情况小，同时降低整车的重心，所以抓弹平台必须要有一段升降机构来保证实现上诉要求，升降关节作为抓弹平台的最低端必须是稳固且轻的，为了实现对其重量的要求，在对于驱动其升降的气缸的选型十分重要，所以选择在设计过程中在软件中将每个零件都添加上对应的材料，以至于能够在三维图纸中能够得到相对准确的重量，也便也控制整车的重量。为实现整个抓弹平台能够稳定的上下运动，选择在抓弹平台的四个角落分别放置一个气缸，经过多次测试之后结构仍然稳定，在升降关节的活动机构使用气缸推动，使得结构设计比较简单，稳定、易维修[1]。

2.2 平移关节

要实现六连抓功能，就要将抓弹平台上面搭载的机械爪移动到需要抓取的弹药箱前面，根据资源岛上弹药箱的布局，需要将机械爪向前平移和向左向右平移，一共有六个位置，在左上和右上的两个位置是抓弹平台位移最大的情况。为满足整个抓弹平台重量轻、结构稳的总体要求，在承重结构中选择20mm×20mm×1.5mm的铝方管和20mm×10mm×1mm的铝方管相结合，在左右平移关节中使用20mm×20mm×1.5mm搭建的刚性矩形结构，在前伸的关节中选择20mm×10mm×1mm搭建的刚性矩形结构。在结构设计的过程中利用SolidWorks软件进行有限元分析，得出该结构在最大位移时，最大形变小于10mm，符合设计要求[2]。

2.3 机械爪关节

机械爪作为整套抓弹平台最重要的部分，也是抓弹平台的难点，机械爪需要实现的功能是，夹紧弹药箱并将其进行翻转，使弹药箱中的弹丸能够落到工程机器人所携带的弹仓中。使机械爪翻转的执行机构选择的是回转气缸，结构简单且电气控制的调试也相对简单。机械爪的长度对于翻转的速度有很大的影响，在弹药箱重量确定、回转气缸扭矩不变的情况下，机械爪越长，其结构的力臂越长，翻转的速度越慢。在多次更改结构的情况下把翻转中心尽量靠近资源岛，缩短翻转中心到资源岛的距离，进而缩短力臂。

为了能够把下沉100mm，长宽高均为200mm的弹药箱从沉孔中抽出，有几种解决办法：（1）增加机械爪长度，使其能够抓取弹药箱的大部分，减小弹药箱与沉孔内壁的摩擦，能够缓慢的将弹药箱从沉孔中抽出。这个方法通过多次实验得知其最快速度也不能满足比赛要求，而且这种结构的机械爪及其不稳定，在实验中时常会出现不能将弹药箱从沉孔中抽出的情况。（2）在机械爪的最前端设计一个能够旋转的机构，机构中主要使用两个推力球轴承，在加夹紧弹药箱的同时能够使弹药箱可以被动的旋转，可以让弹药箱在离开沉孔的过程中保持弹药箱侧面与沉孔内壁相对平行的状态，或者与沉孔内壁只是小范围的接触，产生的摩擦力不影响弹药箱从沉孔抽出。（3）在Solid-Works软件中进行运动仿真的过程中是可以完成从沉孔中抽出弹药箱的动作的。但是在用实物的实验中却出现了不能使弹药箱抽出沉孔的情况，这个情况主要出现在实验后面的阶段。

在实验结果的分析中得出出现这样的情况的原因：（1）机械爪前端用于旋转的推力球轴承受损，导致弹药箱不能被动的翻转。（2）机械爪实验次数过多造成的机构损坏，其形变超过了或接近了允许的最大形变。由此得出第二种方法能够使弹药箱从沉孔中抽离，速度较第一种方法有很大的提升，成功率达到80%，但是也体现了这种结构易坏、对整个机械爪损伤较大、成功率达不到比赛要求。（3）在第二种结构的基础上增加一个将机械爪抬升的结构，相当于将沉孔的深度减小一段距离，让弹药箱在翻转的过程中减小接触沉孔内壁的概率，在对该结构进行运动仿真进行分析时得出将机械爪抬升30mm即可达到预期的效果。在实际的实验过程中结合电气控制可以非常流畅的将弹药箱从沉孔中抽离，在气压稳定的情况下成功率可以达到100%，实验结果完全符合预期要求。