【導(dǎo)讀】TheAxeBotrobot?increasedupto:Four-LeggedLeague,HumanoidLeague,MiddleSizeLeague,

　　

【正文】 rt, 2020. 翻譯： AxeBot 機器人：全方位自主移動機器人的機械設(shè)計 摘要 : 這篇文章中介紹了一個用來參與機器人世界杯小尺寸等級比賽的完全自主移動 AxeBot機器人的機械設(shè)計。 AxeBot機器人使用三個全向輪來運動和裝備射擊設(shè)備從不同的方向射擊球。一旦 AxeBot 機器人是一個完全自主移動機器人 ,其所有傳感器，發(fā)動機，伺服電機，電池，計算機系統(tǒng)，必須嵌入在支架內(nèi)。該項目可以分為 4個不同的部分：底盤設(shè)計，車輪設(shè)計，射擊裝置的設(shè)計和制作一個可以覆蓋整個機器人外殼的整體裝配。該 AxeBot機械設(shè)計提出了一種全新的底盤概念 三輪全向機器人，也介紹了一個新的射擊裝置，并最終展示 AxeBots的原型裝配。 1. 前言 機器人世界杯是一個國際機器人研究組織，其目的 是促進機器人技術(shù)與人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。這是一種水平挑戰(zhàn)及自主機器人隊的足球比賽，它于在 1996年提出 [1]。最初有三個不同聯(lián)賽的 2D：機器人足球仿真聯(lián)賽，小尺寸機器人聯(lián)賽，中型機器人聯(lián)賽。時至今日，這些聯(lián)賽已經(jīng)提高到：四足機器人聯(lián)賽，人形機器人聯(lián)賽，中型機器人聯(lián)賽，青少年足球機器人，小型機器人聯(lián)賽，足球模擬聯(lián)賽，標(biāo)準(zhǔn)機器人聯(lián)賽。此外，另一個挑戰(zhàn)， 1999 年提出了機器人救援，在展示機器人足球的研究結(jié)果可以直接應(yīng)用在現(xiàn)實世界中的問題，像機器人搶險救災(zāi)。通過技術(shù)和先進的計算機算法的集成，機器人世界杯的目標(biāo)是在 2050 年的時候建立一個人形機器人團隊，打敗當(dāng)時世界杯冠軍。 全方位的 AxeBot 使用三個全向輪，裝在一個圓上互成 120176。 角的地方，每個輪子朝著不同的方向運動。三個 Maxxon A 22電機用于驅(qū)動全向輪，每個輪一個馬達(dá)。這些電機控制由兩個腦干電機 ，來控制機器人的軌跡 [2] [3]。該 AxeBot 還持有射擊裝置用來從不同的方向踢球，一個視覺系統(tǒng)包括一個 CMUCam Plus 和 GP202紅外線傳感器 [4]，一個基于 StrongARM的嵌入式計算機系統(tǒng)，即所謂得星門套裝和一個 IEEE 。這項工作展示了機械項目附上這些設(shè)備成為一個充分全方位自主機器人，就叫做 AxeBot。該完整的動力學(xué)和運動學(xué)模型 AxeBot可以在 [5]發(fā)現(xiàn)，該模型是用來指定一些機械參數(shù)，如車輪直徑。 2. 底盤 該機器人的底盤是所有其他組件可以直接或間接連接的支架。因此，底盤必須十分堅固，保證無論靜止還是運動，都能承受機器人所有部件的重量。底盤要承受的力量還要包括由機器人加速度引起的力。另一個重要的要求是底盤上能將所有組件很堅固的安裝起來以致所有機器人內(nèi)的部件在加速和減速過程中相對位移小。這對于三個驅(qū)動電 機來說是特別重要的，其中驅(qū)動電機被定位在地平面彼此之間成 120176。 角的位置。該機器人的控制效果取決于精確而堅固的馬達(dá)安裝 [6]。底盤要也足以承受了機器人與墻壁，或另一機器人可能發(fā)生的最高速度的碰撞。最后底盤要以最小量的材料來制作。起初，以降低成本，并盡量減少該機器人的總重量。輕的重量需要較少功率來加速。因此，具有相同的馬達(dá)，重量輕的機器人能獲得更大的加速度。這當(dāng)然是在當(dāng)馬達(dá)產(chǎn)生所有的動力，可以通過車輪轉(zhuǎn)讓到在地上時。換言之，車輪必須有足夠的摩擦力使得車輪和地面之間沒有滑動 [7]。 材料 玻璃纖維 被用于制作底盤。這個選擇是純粹的經(jīng)濟問題，因為材料不昂貴（雖然它是強大的），而且沒有必要聘請專業(yè)的構(gòu)造者。所有的底盤（共 6 個）的制作可由團隊成員自己完成。只有模具，必須由一個專業(yè)人員制作。上下底盤可使用一個模具，可以進通過調(diào)整，以制作不同的底盤。 設(shè)計 設(shè)計的主要目標(biāo)是固定馬達(dá)所需的位置。因此，有 3 個馬達(dá)插槽的地板為模板。在前端每個馬達(dá)可以連接到底盤。在板塊的輪輞處連接有一塊邊緣來使底盤有更好的扭轉(zhuǎn)剛度。這種邊緣也可以用于安裝其他機器人部件，例如覆蓋外殼。同時有一個切除部分為機器人的射擊裝置提供 空間。在第 5章將討論本裝置的設(shè)計。但沒有展示最終的設(shè)計，因此我們堅持這個假設(shè)的射擊設(shè)備需要這些開孔。所有邊緣都是圓的，因為這會使得這個機構(gòu)有一些比較容易的部分。最后，較低的底盤如下圖所示。這一部分是由 SolidEdge 建模的。 為了得到更牢固的底盤，一個次要的底盤部分 —— 上層底盤，已經(jīng)建立模型了。這是幾乎是第一部分的精確復(fù)制，只是現(xiàn)在有 3開孔，提供了更多的空間安裝機器人組件。這些開孔也節(jié)省一些材料，及減輕重量。這兩個部分是相互連接的，如下圖所示。 這種夾層結(jié)構(gòu)使整個底盤更加的牢固，因此兩者的總厚度底盤可能比 使用一個底盤還薄。 附錄 1圖 1 下層底盤 附錄 1圖 2 相互連接的上層底盤和下層底盤 底盤模具 為了制造出這些零部件，需要制作一個模具。這僅僅是一個實際的機器人零部件的底片。圖 3所示為上層底盤的模具。下層底盤模具可以通過改變即可，下層底盤模具中在地面處沒有孔洞，表記的地方（白條紋）和沒有表記地方的左部（對稱的最右部分）應(yīng)該降低 4毫米。對于上下層底盤，模具的基體是完全相同的。只有一兩處不同點是兩個不同的底盤，電機和射擊系統(tǒng)部分是相同的。 附錄 1圖 3 底盤模具 3. 輪子 AxeBot機器人裝有三個車輪，三個車輪安裝在互成 120176。 角的圓周上。這些輪子使得 AxeBot機器人是可以萬向的。這意味著該輪必須能夠讓機器人做兩各方向的平移運動（在 x和 y方向見圖 4）沒有圍繞機器人自身 Z軸的旋轉(zhuǎn)（軸垂直于 y和 x 軸，即在圖 4旋轉(zhuǎn)）。車輪也能使機器人繞自身 Z軸旋轉(zhuǎn)。 附錄 1圖 4 AxeBot 輪子位置 盡管如此，車輪應(yīng)該盡可能的小而輕來減少重量和力矩慣性，同時保證其使用性和易處理性。該車輪是根據(jù) 2020 年康奈爾大學(xué) [8]設(shè)計的一種全向輪。圖 5顯示了最終版本輪子的一個爆炸視圖。 這兩個支架是 通過螺釘相互連接并保持每一個部分在正確的位置上。輪轂同樣是由螺絲連接到支架的。輪轂通過螺絲連接到電機的輸出軸上來實現(xiàn)將電機的轉(zhuǎn)動輸出到車輪。輥環(huán)是在與地面接觸。轉(zhuǎn)子可圍繞其輥軸旋轉(zhuǎn)。 如上所述，該輪可實現(xiàn) 2 個方向平移（ x和 y，見圖 4）而不圍繞其 Z軸旋轉(zhuǎn)。整個車輪確保一個圍繞電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動，而輥輪確保另一方向的運動。結(jié)合這兩個不同的運動，在一個適當(dāng)?shù)姆绞较聶C器人就可以實現(xiàn)任意的平面運動或者旋轉(zhuǎn)。 . 輥環(huán) 輥環(huán)是在車輪中唯一接觸地面部分。請注意，一個輪子也可以有兩個輥環(huán)與地面接觸。要獲取最大的抓地 力（不滑） 2020 年康奈爾大學(xué)機器人團隊首次開發(fā)出了沒有輥環(huán)的轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子有著尖銳的邊緣以切入足球場的地毯來獲得最大的抓地力。然而，這破壞了地毯，因此增加了橡膠的輥環(huán)設(shè)計以獲得最大的抓地力且不破壞地毯。這種輥環(huán)是圓形的并有著圓形的縱斷截面。 附錄 1圖 5 輪子的爆炸視圖 因此，橡膠輥環(huán)也用于 AxeBot 2020。橡膠輥環(huán)可以買幾個不同尺寸，因為它們是高彈性，所以不難尋找一個合適的環(huán)。由于有超過一種的合適尺寸，以及簡單的幾何結(jié)構(gòu)，因此這種輥環(huán)沒有技術(shù)圖紙。 . 輥輪 從圖中容易看出，輥輪的幾何尺 寸不能限制到輥輪自身的轉(zhuǎn)動，同時要能安裝輥環(huán)，且不能掉落。唯一的問題在于和轉(zhuǎn)軸，和輪殼的摩擦。 輥輪的幾何尺寸會影響與輪殼，與輪軸之間的摩擦。為了最大限度減小輥輪和轉(zhuǎn)軸接觸面磨損的可能性，這個接觸面需要盡可能大一些。 當(dāng)電機的轉(zhuǎn)矩通過輥輪傳到地面以驅(qū)動機器人，接觸地面的輥輪會被壓到輪殼上。當(dāng)期望行走的方向需要輥輪轉(zhuǎn)動的情況下，這個問題就會經(jīng)常發(fā)生（兩個平移運動合成為期望的運動方向）。這樣，轉(zhuǎn)動的輥輪會被壓到輪殼上。這將導(dǎo)致輥輪或輪殼的摩損。這還與輥輪，輪殼的材料，接觸面的壓力大?。ㄔ谶@即為電機轉(zhuǎn)矩），和接觸 面的幾何尺寸有關(guān)。在輪子的設(shè)計過程中，只有材料和幾何尺寸子可以選擇。 接觸面越小，摩擦越小。但可能會磨損接觸面中的某一個。所以需要用耐磨的材料來避免磨損。接觸面越大，將不會造成磨損，但是會增大摩擦力。所以需要找到合適的材料和接觸面積。同時幾何尺寸也要能機械加工。 以上提及的問題在 2020 康奈爾機器人的輥輪設(shè)計中沒有發(fā)生。因此同樣的輥輪尺寸也可以被到 AXEBOT上。 2020 康奈爾機器人團隊設(shè)計的 15 輥輪的輪子性能良好。因此 15 輥輪的輪子也可應(yīng)用到 AXEBOT2020 的輪子上。 2020康奈爾機器人設(shè)計的輪 樣板用的是聚甲醛樹脂輥輪以減少摩擦和重量。由于聚甲醛樹脂這種塑料與其他材料的摩擦系數(shù)小，所以被用在會發(fā)生移動的接觸面上。經(jīng)過樣板機器人的測試發(fā)現(xiàn)，聚甲醛樹脂輥輪在碰撞時容易損壞。因此，2020 康奈爾機器人安裝的是鋁制輥輪。與其他材料相比，這種強度足夠承受碰撞，而且輥輪密度小。 然而，在 2020 康奈爾機器人其他樣板機器人的測試總中一些鋁屑堆積在鋼的轉(zhuǎn)軸上。在安裝 2020 康奈爾機器人的鋁制輥輪是沒有遇到這個問題。但是為了優(yōu)化 AXEBOT輪子的設(shè)計，這個問題需要解決。 為了避免鋁輥輪的磨損，轉(zhuǎn)軸可以用其他其他材料，或者用更堅固的材料制作輥輪。 通過計算，聚甲醛樹脂轉(zhuǎn)軸的強度足夠，但是把聚甲醛樹脂制作成細(xì)棒是很難的。因此用鉄制轉(zhuǎn)軸代替，這也是 2020康奈爾機器人所用的轉(zhuǎn)軸材料。 為了避免輥輪的磨損，需要用比鋁更堅固的材料來制作輥輪。鋼更堅固耐磨，而且容易獲得，價格低廉，但比鋁重是鋼的缺點。這將增加慣性矩，進而需要更大的電機轉(zhuǎn)矩。一個鋼輥輪的輪子總慣性矩是 *〖 10〗 ^(4) kgm^的輪子為 *〖 10〗 ^(4)kgm^2。用鋼輥輪代替鋁輥輪會增加 7 的慣性矩。這一點點的增加是可以忽視的，所以鋼輥輪是可以被應(yīng)用的。 考慮到摩擦?xí)r，同時用鋼輥輪和鋼轉(zhuǎn)軸要好于鋁輥輪和鋼轉(zhuǎn)軸。因為鋼之間的摩擦系數(shù)要小于鋼和鋁之間的摩擦系數(shù)。使用潤滑劑可進一步減小摩擦。 . 輥輪軸 如上所述，對使用聚甲醛車軸進行了調(diào)查研究，因為它可以減少對鋁輥輪的磨損。在靜止的情況下計算 Delrin車軸是否有足夠大的強度。這也需在動態(tài)情況下進行（跌落機器人在地板上，并使一個輥輪著地），但沒有使用有限元法使得并不能獲得與實際逼近的結(jié)果。 當(dāng)總重量為 AxeBot2020完全壓在一個輥輪軸時，這將導(dǎo)致在車軸上產(chǎn)生剪應(yīng)力。在這種情況下，剪應(yīng)力可以通過分解車軸上的力（通過 AxeBot的重量）除以剪切平面的面積。該剪切區(qū)域的面積是一個半徑類似軸的半徑的圓形區(qū)域的面積。請注意， AxeBot 重量要分解為兩部分，因為一根軸上有兩個剪切面。 該剪應(yīng)力值為 。聚甲醛樹脂在剪切力大約 44兆帕?xí)r開始塑性變形。靜態(tài)時，聚甲醛車軸會有足夠的強度。 但是，這種計算是沒有必要，因為不可能生產(chǎn)出直徑 棒。因此使用鋼軸（鋁軸會導(dǎo)致更多的摩擦）。為了減少摩擦，車軸 被涂上潤滑劑，例如石墨。石墨潤滑劑使用方便。 康奈爾大學(xué)的機器人團隊 2020 記錄中沒有提及他們的聚碳酸酯支架的磨損問題，由于他們使用的鋼輥軸。正如這章的后面提到的，該 AxeBot車輪的支架將用鋁或聚碳酸酯制造。鋁（支架）和鋼（軸）之間的摩擦系數(shù)與聚碳酸酯（支架）和鋼（軸）之間的摩擦系數(shù)是相同的大?。s等于 []).另外，在康奈爾機器人的車輪和 AxeBot的車輪在幾何上幾乎是相同的。因此，這種摩擦磨損對于鋼輥軸和聚碳酸酯或鋁支架之間來說可能不會有問題。 生產(chǎn)這種車軸可以很容易由鋼棒做成。根據(jù)現(xiàn)有可用 直徑的鋼棒，該軸的直徑可以調(diào)整。該在車軸邊緣可以倒圓角，以避免尖角。 . 輪轂 該輪轂將輪子連接到電機軸。一個 M2 的螺栓即可達(dá)到要求，輪轂上用來固定螺栓的孔半徑為 ，這樣與 M2 螺栓配合的螺紋線可以在這個孔中制作出來。輪轂通過 3個 M3 的螺絲連接到支架上。對應(yīng)的 上制作。輪轂的幾何形狀是可以改變的，以方便生產(chǎn)工藝過程。輪轂可以由鋁或聚碳酸酯制作，這兩者都是輕材料。為了研究由聚碳酸酯制成輪轂的注塑模具的配件參數(shù)選項（和價格），一種模具的設(shè)計草圖已經(jīng)作出出來。 . 支架 幾乎所有的支架幾何結(jié)構(gòu)是在康奈爾大學(xué)的 2020 年機器人使用的。只有安裝輥輪軸的插槽處有小的變化，以便使得支架的生產(chǎn)工藝過程簡單。在部分不同的輥輪軸插槽設(shè)計的提出是為了使支架的生產(chǎn)簡單化。 支架可從用鋁制造，或者像聚碳酸酯的輕塑料?？的螤柎髮W(xué)機器人有聚碳酸酯支架。加工性好，同時能用于 AxeBot支架的材料是首選。當(dāng)使用塑料時，需要其能可注塑，且模具已經(jīng)設(shè)計用來檢查注塑成型的價格。 4．彈射裝置 該設(shè)計包括一個垂直臂（踢臂），可以圍繞固定在機器人上的一根軸擺動。這一運動將是由一、兩個伺服驅(qū)動 —— 踢，這也是固定在 機器人。其他伺服，伺服方向，是隸屬踢臂（底部 servosocket）。一類擺系統(tǒng)的形成，因此大部分重量主要集中在較低的旋轉(zhuǎn)臂部分。有一塊踢板連接到踢球伺服驅(qū)動上，踢板可以旋轉(zhuǎn)，從而使可以在不同的方向彈射。該踢板可定位非常準(zhǔn)確的，因為伺服專為這類任務(wù)設(shè)計。該踢板還連接到 servosocket。因此，球和踢板之間的碰撞力將分解在這兩個接觸點。相對于只有一個接觸點來說 ,踢板的彎曲變形小 ,且承受的作用力更小 . 附錄 1圖 6 xeBot機器人的彈射裝置 5. 外殼和 AxeBot 的裝配 外殼是整個機器人的覆蓋件。 這同樣是是用玻璃纖維制成的，與前面指出的底盤部分有著相同的原因。在下圖中顯示了外殼設(shè)計。有開孔，以便為車輪以及為射擊裝置提供空間。該殼直徑為 178毫米。由于最大