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2012亚太机器人大赛设计方案介绍——机器人机构设计CADzhangliying一、比赛规则说明：1场地形状——不是中心对称、轴对称。2有无对抗性——无对抗性。3机器人数量——一个手动机器人，两个自动机器人。4行走路线——两种行走路线，需要进行比较分析。5本届比赛的难点在哪里？关键点在哪里？①比赛时，左右区域的不固定性，给设计方案制造很多麻烦。②手动机器人要将代币准确投入到代币箱中，因此对手动机器人的机械手臂的要求比较高。③公共区域取篮子，可能发生争执。④采摘机器人需要上台阶，所以设计时需要注意它的移动机构的设计。需要采用一些特殊的行走机构。⑤采摘机器人采摘过程中定位要准确，以便于准备投篮。二、线路选择：1、第一条路线相对于第二条路线来说，行走的路程要短，路程短了，相应地可以节省很多的时间。但是对采集机器人的要求比较高。需要机器人自己上台阶并且准确定位。由于机器人方面的工作，可以在之前的准备阶段得以改进，比赛的时候就可以节省大量的时间，所以本设计方案选择第一条路线。2、第二条路线行走路线比较长，但是操作起来比较简单，对机器人的要求相对比较小，比赛的时候仅为3分钟，由于时间方面的原因，本设计没有采用第二条线路。注意：比赛时，本参赛队伍可能在左边的区域运行，也可能在右边的区域运行，自动机器人和采集机器人的程序设定就需要有两种路线的方案，在设计控制方案的时候需要注意到这一点，即左右两个地图都需要进行存储，设定路线，左右转向等。具体实施按照比赛时所分到的左右区域而定，本设计以右边区域运行为例，来进行设计和分析。以下将不予以说明，请读者注意。三、行走路线图中，黄色方块代表手动机器人，对应的行走路线为蓝色部分（往返路线都包括在内）；粉色方块代表自动机器人，对应的行走路线为绿色部分；蓝色方块代表采摘机器人，对应的行走路线为红色部分。具体行走路线的说明以及这三个机器人是如何实现的：手动机器人：操作员要搭乘在手动机器人上，开始启动手动机器人，行走到代币所在的位置，然后启动机器人的机械手臂，用机械手臂夹取代币。随后，转动手动机器人轮子的方向，注意前方的障碍物，绕过障碍物（手动机器人的身体不要碰到障碍物）。一直运动到隧道处，手动机器人将代币塞入隧道的代币箱（注意：手动机器人的任何部件都不得接触代币箱）。当代币投进之后，手动机器人开始穿越隧道。在自动机器人存放篮筐的同时，手动机器人穿越隧道并行进到采集机器人启动处，手动机器人利用前面的机器手臂将采集机器人抬起，然后携带采集机器人穿过有障碍物的之形通道，运行到装载区L1内。然后根据自动机器人所停止的位置，手动机器人利用机器手臂的伸缩将采集机器人卸载到自动机器人上。当卸载完成后，手动机器人行进到之前自动机器人放篮筐的位置，用机器手臂将篮筐抬起，然后带着篮筐穿过隧道并绕过障碍物，运行到M区。随后将篮筐准确的放到M区的指定位置，将篮筐卸载到该位置。放完篮筐后，手动机器人需要行进到取第三层松糕的位置点所对应M区的延长线上，在那个位置等待采集机器人取完前两层的松糕。待采集机器人完成上述动作，并已经运行到指定的位置，手动机器人开始启动，抬起采集机器人到原先设定好的高度。直到采集机器人完成所要完成的工作，此时手动机器人停止工作。自动机器人：待代币完全塞入代币想后，自动机器人开始启动（本设计采用的启动方式为：参赛队员“一次按键”的启动方式），直线运行到存放篮筐，先按照线路1运行，由于自动机器人中有图像识别系统，当识别到与篮筐相似的形状时，机械手臂开始运行，自动夹取篮筐，然后把篮筐放到手动机器人可以运行的区域上（即图中手动机器人可以运行区域的白色的圆为本设计的自动机器人存放篮筐的位置）；如果，没有识别到相关的图像，那么自动机器人将按照线路2行走，摘取第二个位置上的篮筐，同样，取到篮筐后，将它放到原来设定好的位置上。随后，自动机器人行进到A区，停止的位置为离L1区的边缘有100mm的位置，这个是通过自动机器人上的距离传感器来实现的。自动机器人停止在预先设定好的位置，等待手动机器人把采集机器人放在自动机器人上。，由于自动机器人表面有压力传感器，有一定压力的时（即采集机器人被完全放到自动机器人上时），自动机器人再次开始启动，装载着采集机器人按照原来预先设定好的路线开始运行，通过一个桥，行进到装载区L2。同样利用距离传感器，使得自动机器人在靠近L2区域的边缘停止前行。当自动机器人停止前行的时候发光二极管发亮，当采集机器人完全脱离自动机器人时，自动机器人停止工作，停止过程同样通过压力传感器来实现。采集机器人：采集机器人底部的感光传感器感受到自动机器人顶部发出的光时，采集机器人开始启动，脱离自动机器人并从装载区L2登岛，利用单片机自动读取原来设定好的地图文件。采摘机器人始终按照直线行走，为了能够使采摘到的球准确放入篮筐中，需要进行准确定位，具体的停止位置计算——连接篮筐的中心和所要取的球的地面位置的中心，作这条线段的垂直平分线，该垂直平分线与采摘机器人所运行的直线线路有一个交点。采摘机器人停止在这个交点上（该方式不用调整手臂的长度），拿到松糕（通过图像识别系统来判断采集机器人是否拿到松糕），手臂平移运行就可以将球准确的放入到篮筐中（第一层和第二层的两个点将在同一条直接上，一个在前，一个在后）。当第一层和第二层球准确投放到篮筐后，自动机器人向后行进到指定的第三点，等待手动机器人将它抬起，达到第三层的高度时，采集机器人的机械手臂开始操作，摘取第三层的松糕，并将其放入篮筐中。完成此次动作后，采集机器人停止运行。手动机器人：1.行走路线说明：为了能保证机器人能沿近似直线的轨迹行走，引入一个闭环的检测系统。具体设计思路图如下：测试系统具体实现框图2.走形机构采用轮子：四轮驱动轮式——移动速度快，机构比较简单，能耗量比较小，并且机构比较容易控制。3.传感器：（1）红外线发射传感器，使得机器人可以识别障碍物（即实现避障），同时也可以用于测量距离；机器人行走路线传感器模块放大电路A/D转换电机控制电路单片机显示部分（2）图像传感器，需要在机器人的前端搭载一个豆干摄像头，3.6mm镜头，可以看到较广的视野；（3）利用霍尔集成传感器作为转速检测探头，用于测量电机的转速，即机器人的行走速度；（4）方向接触式传感器，用于控制机械手的伸缩角度；（5）加速传感器，用于机器人的牵引控制系统；（6）方向传感器，用于机器人行进的方向识别。4.电源及驱动模块：为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组和驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体；采用直流电机的驱动及控制。5.机械手臂：有1个垂直水平节结构和一个夹手。里面都设计了一个方向接触式传感器，可以控制机械手的伸缩角度。6．启动方式：人工操作，控制面板上只有操作用的按钮，没有类似于方向盘的东西。场景编辑可在windows自带的画图工具中绘出自己所需要的场地，然后保存成jpg格式，注意图片像素规格为300*300.把图片复制到仿真的安装的目录里面场地编辑里面即可打开刚导入的场地，在对场地进行下一步编辑。自动机器人：1.行走路线说明：利用单片机自动读取原来设定好的地图文件。自动机器人需要设定两种路线：先按照一号线路——直线运行（容易操作），但是篮子可能被取走，所以需要在自动机器人中安装一个图像识别系统，将篮子的大致图像输入到系统中，并在机器人的前面安装一个小摄像头。当自动机器人识别到前方有类似形状的物体的时候，则机械手臂开始运行，取下篮筐。如果没有类似的图像，此时需要继续按照路线2行走，重新获取另一个位置上的篮子。2.走形机构采用轮子：四轮驱动3.传感器选择：（1）红外线发射传感器，使得机器人可以识别障碍物（即实现避障），同时也可以用于测量距离；（2）图像传感器，需要在机器人的前端搭载一个豆干摄像头，3.6mm镜头，可以看到较广的视野；（3）利用霍尔集成传感器作为转速检测探头，用于测量电机的转速，即机器人的行走速度；（4）压力传感器，用于识别采集机器人是否已经被放到自动机器人上；（5）方向接触式传感器，用于控制机械手的伸缩角度；（6）加速传感器，用于机器人的牵引控制系统；（7）方向传感器，用于机器人行进的方向识别。4.驱动方式：常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型，三种主要的驱动方式比较如下表所示：驱动方式的比较液压驱动气压驱动电器驱动交、直流电机步进电机、伺服电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位困难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同的条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响易漏油、易燃排气有噪声无无成本成本较高成本低成本低成本较高该小车要求质量轻便，所以结合设计要求，选择TZ51-2型磁滞式同步电机。其主要技术数据如下：使用电源：单相；额定电压：220（V）；同步转速：3000（r/min）；起动转矩：130g.cm12.7mn.m；输出功率：4（W）；输入功率：30（W）；电容量：21；质量：0.9kg。5.机械手臂：有1个垂直水平节结构和一个夹手。里面都设计了一个方向接触式传感器，可以控制机械手的伸缩角度。6.启动方式：该机器人需要有两次启动。第一次启动：由参赛人员按动启动按钮，当自动机器人上电后，它一直在检测多圈电位计的输出，只要这个电位计有输出，自动机器人即开始启动。第二次启动：采集机器人被完全放到自动机器人上时，由于自动机器人表面有压力传感器，当有一定压力时，自动机器人再次开始启动。驱动方式比较内容采集机器人：1、行走路线说明：利用单片机自动读取原来设定好的地图文件。采摘机器人始终按照直线行走，为了能够使采摘到的球准确放入篮筐中，需要进行准确定位，具体的停止位置计算——连接篮筐的中心和所要取的球的地面位置的中心，作这条线段的垂直平分线，该垂直平分线与采摘机器人所运行的直线线路有一个交点。采摘机器人停止在这个交点上（该方式不用调整手臂的长度），拿到球，手臂平移运行就可以将球准确的放入到篮筐中（第一层和第二层的两个点将在同一条直接上，一个在前，一个在后）。2、走形机构采用轮子：履带式电动阶梯车，其结构师将座椅、前后车轮和电控盒等固定安装在车架上。在后车轮的轮轴上装有轮毂电机、变速器、离合器和制动器等，履带机构装在车架的下部，在履带机构的驱动轴上接有变速箱、驱动电机和制动机构等。这种电动阶梯车在上下楼梯时要将车体部分全部分托起，仅仅一口履带机构运行爬楼，因此为保证安全和托起车体的稳定，履带机构比较庞大，控制机构复杂，运作不够灵活，并且能力消耗较高。本设计采用的是履带式电动阶梯车。这种变位履带移动机构集履带机构与全方位机构的优点与一身：当履带沿一个自由度变位时，用于爬越台阶和跨越沟渠；当沿另一个自由度变位时，可实现车轮的全方位移动。四轮驱动履带式机器人行走驱动装置，包括驱动轮、减速器、直流伺服电机、行走履带、超越离合器、双向电磁离合器、摆臂、摆轮和摆轮履带，驱动轮、减速器。直流伺服电机分别包括主驱动轮、辅驱动轮、减速器Ａ、减速器Ｂ、主驱动直流伺服电机和辅助驱动直流伺服电机。其具有重量轻，体积小，行走驱动功率高等优点。3、传感器选择：（1）红外线发射传感器，使得机器人可以识别障碍物（即实现避障），同时也可以用于测量距离；（2）图像传感器，需要在机器人的前端搭载一个豆干摄像头，3.6mm镜头，可以看到较广的视野；（3）利用霍尔集成传感器作为转速检测探头，用于测量电机的转速，即机器人的行走速度；（4）压力传感器，用于识别采集机器人是否已经被放到自动机器人上；（5）感光传感器，用于识别自动机器人发出的光线，用于采集机器人的启动；（6）方向接触式传感器，用于控制机械手的伸缩角度；（7）加速传感器，用于机器人的牵引控制系统；（8）方向传感器，用于机器人行进的方向识别。4、驱动方式：直流伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。5、机械