張永清 劉航天 董 帥 柳源平

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著人們對機器人產(chǎn)品興趣的不斷提高，世界機器人大賽也得到更多人的關(guān)注.其中標(biāo)準(zhǔn)組輪式機器人對抗賽是一種趣味性和競技性都很強的比賽.比賽開始后機器人首先要自主登上擂臺，之后比賽雙方的機器人在擂臺上自主尋敵進(jìn)行搏擊，倘若一方的機器人自己沖下擂臺或者被對方攻擊掉臺，則機器人必須在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行自主登臺方可繼續(xù)比賽.因此機器人自主登臺方式的設(shè)計至關(guān)重要，其直接決定著比賽能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在.本文主要研究了標(biāo)準(zhǔn)輪式機器人如何準(zhǔn)確識別擂臺位置以及機器人的登臺方式，并著重對各種登臺方式的原理和特點進(jìn)行具體的分析和說明.

1 機器人登臺方式的設(shè)計

1.1 利用機械臂實現(xiàn)登臺

利用機械臂結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人的自主登臺(如圖1)，其最大的特點是在機器人的前后都布置上相同結(jié)構(gòu)的機械臂，當(dāng)機器人在臺下的時候，機械臂呈收起狀態(tài)，機器人首先通過傳感器確定擂臺的位置，然后正對擂臺將前部的機械臂搭放在擂臺邊緣，以機械臂為支撐把機器人抬起，電機驅(qū)動輪子前進(jìn)致使機器人前半部分登上擂臺，之后將前機械臂收起并放下后機械臂，同樣通過機械臂的支撐作用將機器人的后輪抬起，電機驅(qū)動機器人向前運動直至機器人全部上臺，所有機械臂全部收起機器人呈攻擊狀態(tài).

圖1 利用機械臂登臺

這種利用機械臂來實現(xiàn)登臺的方式主要的優(yōu)點就是登臺過程穩(wěn)定，機器人在整個登臺的過程中不會出現(xiàn)猛烈的撞擊和震動，對機器人內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沒有沖擊，不會因為登臺而造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞.同時，該登臺方式也存在一些不足，主要有以下幾點：

(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在機器人前后安裝兩套機械臂；

(2)機械臂不能代替推鏟作為武器，降低了機器人的攻擊性能；

(3)上臺過程較為繁瑣，耗時較長.

因此，若要采用機械臂來登臺，則機械臂的機構(gòu)要盡可能設(shè)計的簡單靈活，機器人的底盤重心盡可能低，以增加機器人的整體穩(wěn)定性.機器人的登臺程序設(shè)計不能太過繁瑣，否則機器人無法在比賽要求的時間內(nèi)登臺，直接導(dǎo)致扣分.

1.2 利用后斜坡機構(gòu)實現(xiàn)登臺

利用后斜坡機構(gòu)進(jìn)行登臺(如圖2)，不需要設(shè)計許多機械臂，故其結(jié)構(gòu)要相對簡單許多.在機器人的前部設(shè)計攻擊用的推鏟，在機器人的后部設(shè)計登臺用的后斜坡機構(gòu).機器人在剛啟動或是掉下擂臺之后，同樣先由傳感器識別擂臺的位置，確定好擂臺位置之后，機器人運動至背對擂臺的狀態(tài)，然后電機驅(qū)動車輪加速向后運動，通過后側(cè)斜坡的導(dǎo)向作用使機器人沖上擂臺，以達(dá)到機器人自主登臺的目的.

圖2 利用后斜坡機構(gòu)登臺

顯然，這種利用后斜坡登臺的方式和利用機械臂登臺相比要更簡單更快捷一些.沒有繁瑣的結(jié)構(gòu)和步驟，直接對準(zhǔn)擂臺邊緣加速沖上擂臺，耗時更短，實用性更強.但通過實際試驗發(fā)現(xiàn)，這樣結(jié)構(gòu)同樣具有缺點，主要如下：

(1)對后斜坡和地面之間角度的設(shè)計要求很高，角度太大或太小都直接影響實際登臺的效果；

(2)登臺時機器人的移動速度很快，在和擂臺撞擊瞬間對機器人整體結(jié)構(gòu)造成很大沖擊.

若要利用后斜坡來登臺，則需要確保機器人整體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，尤其是內(nèi)部電路要有足夠的穩(wěn)定性，否則因為登臺而造成其他故障，結(jié)果將得不償失.最后就是要對后斜坡與地面之間的角度設(shè)計進(jìn)行仔細(xì)研究.根據(jù)比賽要求可知，比賽用擂臺的高度為60 mm，通過設(shè)計一系列角度梯度值來進(jìn)行實驗，根據(jù)實際試驗的登臺效果可以得出當(dāng)后斜坡與地面夾角在30～40°之間時，機器人登臺的穩(wěn)定性更好，登臺過程更加迅速流暢.

在解決處理好上述問題之后，這種利用后斜坡登臺的設(shè)計將極大提高機器人的實際比賽中的整體表現(xiàn)效果.機器人的結(jié)構(gòu)將更加簡潔，登臺速度更快更穩(wěn)，攻擊力也將得到一定提高.

1.3 利用輔助支撐弧實現(xiàn)登臺

在機器人前方兩側(cè)增加兩個輔助支撐弧(如圖3)，當(dāng)機器人在擂臺下或在擂臺上巡敵攻擊時輔助支撐弧呈收起狀態(tài)，只有當(dāng)機器人處在擂臺下需要進(jìn)行登臺時，由電機驅(qū)動輔助支撐弧做整周的圓周運動，與此同時機器人加速向前運動，整個機器人呈飛躍式狀態(tài)，通過輔助支撐弧的作用使機器人實現(xiàn)登臺的目的.

圖3 利用支撐弧進(jìn)行登臺

這種利用輔助支撐弧實現(xiàn)登臺的設(shè)計，雖然沒有前面兩種應(yīng)用較多，但其結(jié)構(gòu)簡單可以給機器人的其他主要部位設(shè)計留出充足空間，而且登臺迅速，耗時短也很好的符合比賽的要求.

通過觀察圖3的設(shè)計可以看出，采用輔助支撐弧進(jìn)行登臺其結(jié)構(gòu)非常簡單，不管是與機械臂還是與后斜坡機構(gòu)相比，該設(shè)計都要更加靈活簡單.其完成登臺動作的過程同樣非常迅速，能很好地在比賽規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù).除此之外，在保證穩(wěn)定迅速地實現(xiàn)登臺動作的同時，該結(jié)構(gòu)由于十分簡單，并且給底盤等其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計留出了很大空間.在車輪設(shè)計方面，采用兩個大號車輪和地面接觸面積更大，抓地效果更好，極大提高了機器人自身穩(wěn)定性.降低了在比賽過程中被敵人推下擂臺的風(fēng)險.

2 機器人的自主識別與準(zhǔn)確定位

對于機器人的自主登臺來說選擇什么樣的登臺方式十分重要，但同樣還有一個十分關(guān)鍵的問題值得注意，那就是機器人的自主識別與準(zhǔn)確定位.顯然，機器人要想登臺就必須對自身位置狀況和擂臺具體位置做出準(zhǔn)確的判斷.這就要求機器人本身能夠準(zhǔn)確識別比賽環(huán)境，快速確定自身位置并判斷自己是在擂臺上還是擂臺下.

對于這一問題，可以通過安裝多種傳感器相配合來實現(xiàn)機器人的自主識別與準(zhǔn)確定位.結(jié)合比賽要求和實際情況可選用紅外測距傳感器和灰度傳感器來實現(xiàn)此功能.首先要確定機器人自身所處的位置.根據(jù)比賽規(guī)則介紹可知，比賽擂臺的表面顏色是漸變的，最外側(cè)是黑色漸變到中心為白色，根據(jù)這一情況我們可選用灰度傳感器，因為不同的顏色對光的反射程度不同，其傳輸?shù)絺鞲衅鞯臄?shù)值也就不同.故當(dāng)機器人處在擂臺中心時檢測的灰度平均值較小，而當(dāng)機器人處在擂臺邊緣時檢測的灰度平均值較大，以此來實現(xiàn)機器人對自身的準(zhǔn)確定位.其次，分別在機器人的底盤和頂部安裝四個紅外測距傳感器，通過各個傳感器之間的配合工作，對機器人周圍環(huán)境做出檢測并判斷出擂臺的位置.由于擂臺高度為60 mm，低于后方傳感器的高度，因此當(dāng)后方四個傳感器同時接收到信號的時候，表明機器人此時正對擂臺，從而確定擂臺位置.

3 結(jié) 語

本文主要對世界機器人大賽中標(biāo)準(zhǔn)輪式機器人的登臺方式做了詳細(xì)介紹，重點分析了三種不同的機器人登臺方案，對每一種方案的優(yōu)缺點都做了具體說明.三種不同的登臺方案基本可以滿足機器人在不同位置的需要，實現(xiàn)順利登臺.除此之外，本文還對機器人如何準(zhǔn)確識別自身以及擂臺的位置做了簡要分析.