史銀花，姚珵曄，孔祥飛

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引言

發(fā)球功能是各種競(jìng)賽機(jī)器人常需完成的任務(wù)之一，其發(fā)球的效率和精度直接影響機(jī)器人的整體性能和競(jìng)賽得分。目前常用的發(fā)球機(jī)構(gòu)有兩種，一種是投石機(jī)式，其發(fā)球速度快、力度大，發(fā)球角度易調(diào)整，但發(fā)球效率低。另一種是摩擦輪式，其發(fā)球力度弱，發(fā)球角度不易調(diào)整，但可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)球，發(fā)球效率高[1]。本文根據(jù)FRC 國(guó)際機(jī)器人挑戰(zhàn)賽2020 年競(jìng)賽規(guī)則[2]，設(shè)計(jì)了可收供球并任意調(diào)整發(fā)球方向的摩擦輪式發(fā)球機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的發(fā)球功能。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求：收集地面上的道具球并發(fā)送至高、低接球口中。道具球是直徑為180 mm 具有粗糙表面的彈性泡沫塑料球，高接球口為正六邊形，中心離地高度為2 500 mm，低接球口為八邊形，中心離地面高度為585 mm[2]，如圖1 所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)機(jī)器整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包含行走系統(tǒng)、吸球機(jī)構(gòu)、傳球機(jī)構(gòu)和發(fā)球機(jī)構(gòu)4 個(gè)部分。

2 投球結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 吸球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

吸球機(jī)構(gòu)位于整個(gè)機(jī)器的左側(cè)，由吸球部件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖3 所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由左右機(jī)架、活塞氣缸、連接板構(gòu)成的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，其中氣缸為搖塊，連接板為曲柄，連接板與整個(gè)吸球部件固定連接。吸球部件整體為框架結(jié)構(gòu)，框架前端安裝了一個(gè)吸球輥?zhàn)?，且輥?zhàn)油鈧?cè)包裹一層氯丁橡膠，從而增大摩擦，使吸球更加可靠。吸球輥?zhàn)雍蠓桨惭b了上下兩根撥球軸，下方的撥球軸上裝有4 個(gè)麥克納姆輪，呈手性對(duì)稱安裝，如圖4 所示。由于麥輪上輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線的夾角為45°，當(dāng)麥輪上輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可將吸入的球沿著輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的斜向45°將球按序送到存儲(chǔ)區(qū)。

吸球機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作時(shí)，首先驅(qū)動(dòng)氣缸的活塞缸伸出，帶動(dòng)吸球部件轉(zhuǎn)到與地面平行位置，然后驅(qū)動(dòng)775 電機(jī)，經(jīng)減速及同步帶傳動(dòng)，使吸球輥?zhàn)雍蛽芮蜉S進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，即可完成吸球任務(wù)。當(dāng)吸球機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)氣缸活塞缸收回，吸球機(jī)構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)90°，收回至垂直地面位置，減少機(jī)器人的占地空間。

2.2 傳球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

儲(chǔ)球區(qū)是由亞克力板和鋁型材制成的框架結(jié)構(gòu)，安裝在機(jī)器人行走系統(tǒng)上方的前后兩側(cè)，與左右兩端的吸球機(jī)構(gòu)、發(fā)球機(jī)構(gòu)構(gòu)成了封閉區(qū)域。傳球機(jī)構(gòu)位于儲(chǔ)球區(qū)下方，采用3 組等速同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳球，同步帶傳動(dòng)具有緩沖、減振、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]。如圖5 所示，為使球能順利運(yùn)送到發(fā)球機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中將安裝同步帶輪的兩根軸設(shè)計(jì)成左高右低狀，從而使3 組同步帶傳動(dòng)構(gòu)成一個(gè)與地面呈5°左右的斜坡，球可沿著斜坡進(jìn)入發(fā)球口。此外在發(fā)球口還設(shè)置了兩組垂直方向排列的飛輪和兩組垂直方向排列的麥克納姆輪，其間距均略小于球的直徑，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可將存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的球有序的送入發(fā)球機(jī)構(gòu)，防止球堵在發(fā)球口造成卡球現(xiàn)象，而麥克納姆輪上的輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)可將球順利地引入到發(fā)球機(jī)構(gòu)的發(fā)球軌道，為發(fā)球做好準(zhǔn)備。

傳球機(jī)構(gòu)的三組同步帶傳動(dòng)及兩組飛輪、麥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)均由775 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器及同步帶傳動(dòng)后進(jìn)行工作。整個(gè)運(yùn)球機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、控球有序的特點(diǎn)。

2.3 發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

發(fā)球機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人右側(cè)、儲(chǔ)球區(qū)上方，是整臺(tái)機(jī)器的核心。該機(jī)構(gòu)依據(jù)炮塔發(fā)射機(jī)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、發(fā)球軌道等部分構(gòu)成，如圖6所示。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可使發(fā)球機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，高效完成發(fā)球功能，它主要由支撐板、滾動(dòng)軸承、外嚙合齒輪組成，如圖7 所示。設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)球的直徑在支撐板上開有直徑為210 mm 的圓孔，圓孔內(nèi)安裝了一款等截面薄壁非標(biāo)軸承，其外徑為215 mm，內(nèi)徑為200 mm，厚度為6.25 mm，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)帶凸臺(tái)的超薄空心外齒輪安裝于軸承內(nèi)圈內(nèi)，齒輪的齒數(shù)為640，內(nèi)孔直徑為190 mm，剛好容納球順利通過(guò)。整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上巧妙地運(yùn)用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和螺釘限位，使得支撐板與軸承外圈固定連接，齒輪與軸承內(nèi)圈固定連接，從而使發(fā)球機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的功能[4]。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，由自帶編碼器的550 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)30∶1 的行星齒輪傳動(dòng)和24∶640 的外嚙合齒輪傳動(dòng)，最終減速比為810∶1，使640 齒的齒輪轉(zhuǎn)速降為13.58 r/min。編碼器可記錄電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)PID 實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確控制。

發(fā)射軌道安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，設(shè)計(jì)為兩級(jí)可伸縮的弧形板結(jié)構(gòu)以滿足高、低不同位置的發(fā)球。二級(jí)弧形板上帶有弧形齒條，與齒輪相嚙合可調(diào)整發(fā)射軌道的長(zhǎng)度，如圖8 所示。當(dāng)球投入低處接球口中，二級(jí)弧形板完全伸出，當(dāng)球投入高處接球口中，二級(jí)弧形板完全收回，發(fā)球軌跡為弧形板的切線方向。由于機(jī)器人處于場(chǎng)地上不同位置的發(fā)球軌跡不同，因此發(fā)射軌道采用了自帶編碼器的550 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器可記錄電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)PID 實(shí)現(xiàn)二級(jí)弧形板伸縮位置的準(zhǔn)確控制，從而滿足了不同位置的準(zhǔn)確發(fā)球。

此外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上與發(fā)射軌道相對(duì)位置上還安裝了一組高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，由兩個(gè)高轉(zhuǎn)速、大扭矩的NEO 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)球時(shí)飛輪與弧形軌道相配合將球擠壓并發(fā)射出去[3]，保證了最終飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到5 676 r/min。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)球機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，具有吸球簡(jiǎn)單高效、運(yùn)球穩(wěn)定可靠、發(fā)球精準(zhǔn)靈活的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)物樣機(jī)搭建和調(diào)試，成功完成了比賽任務(wù)。該機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)可為類似機(jī)器人競(jìng)賽中的發(fā)球功能的設(shè)計(jì)提供參考。