基于“铲人”功能的相扑机器人结构设计

作者/韩田翰，沈阳市第二中学

基于“铲人”功能的相扑机器人结构设计

作者/韩田翰，沈阳市第二中学

文章介绍了相扑机器人比赛的规则，针对常用相扑机器人在比赛中暴露的问题，从机械结构上设计“斜铲”这一推送机构，重新设计底盘，增加传感器数量，改良车轮设计，全面提升相扑机器人的进攻力和防御力。

相扑机器人；推送机构；铲人

越来越多的学校都有自己的机器人社团和活动，开展各式各样的机器人比赛。相扑机器人的比赛规则一般如下：场地为一空心圆，在场地的外侧及内侧都有黑色的线，参赛双方机器人在圆环形擂台上角逐，根据在规定时间内被推下圆环形擂台的次数累计计分。

比赛选手们通常将相扑机器人设计成如下形式：重锤型，遇到对手加力敲打；旋转型，用旋转机构扳倒对手；撞击型，大力冲向对手；转向后面攻击等。在比赛规则限制机器人重量和尺寸的情况下，这些机器人很难兼顾进攻的攻击力和防御力，有的在攻击同时先被对手推翻，有的灵活但攻击力不足。

为解决相扑机器人的进攻力和防御力之间的矛盾，又不能超出规定的重量和尺寸，在不降低进攻力的前提下保证防御力，设计一种能前后“铲人”的相扑机器人。

1. 方案设计

如果比赛要求机器人自动启动，可在主板上安装一个声控模块。

在机器人的前方和后方都装上光电传感器，机器人在场地上缓慢移动，当光电传感器检测到黑色线条时说明到达规定场地的边界应“退回”，可以控制机器人不走出边界。这部分结构未改动。

为识别对手，原来的相扑机器人在前后左右四个方向安有4个避障传感器。在此基础上，在四个边角位置再增加4个避障传感器，可以更灵活地识别对手，有效监控对手的实际位置。

当机器人发现对方时，根据避障传感器所在位置迅速调整机器人角度，使机器人前面或后面正对对手，全速前进或后退，将对方机器人推下擂台。在这个比赛中主要是考虑机器人的速度和重量，结合所有因素，设计方案如图1所示，增加了具有“铲人”功能的推送机构。

图1 相扑机器人方案设计

2. 结构设计

改进后的相扑机器人如图2，包括底盘、光电传感器[1]、避障传感器、微处理器、驱动电机和推进机构。微处理器连接一个声控模块，用于相扑机器人的智能启动。

光电传感器、避障传感器、微处理器和驱动电机均设置在底盘上。2个光电传感器分别安装在底盘的前方和后方，8个避障传感器分布在底盘的前后左右边以及四个边角位置。传感器和驱动电机均连接微处理器，微处理器连接推进机构，底盘的四周设置有倾斜的斜铲，与地面呈45度角倾斜，紧贴地面。

图2 改进后的机器人外形

斜铲是相扑机器人的关键部件，是与对方机器人顶牛时直接接触的部件，具有整体结构稳定、抗碰撞的特点，冲击力大，便于进攻；斜铲能插入对手机器人底座与地面间的缝隙，使其失去重心，还能保护自身不轻易被对手翘起，防御力强。

3. 基本原理

3.1 传动机构设计

机器人是由4个微型伺服马达驱动，由联轴器直接带动车轮行走。通过试验选用日本Namiki电机，型号22CL—3501PG，电压12V，电流0.04A，转速150RPM，出轴直径4mm。依靠伺服马达的两个输出转矩作为驱动的来源，控制机器人的运动方向[2]。伺服马达只要接受到位置指令，就会运动到指定位置。微型伺服马达内部由小型直流马达、变速齿轮组、反馈可调电位器以及电子控制板构成[3]，反馈可调电位器连接电子控制板，电子控制板连接微处理器，小型直流马达连接电子控制板和变速齿轮组，变速齿轮组连接机器人的驱动轮。这部分与原来相扑机器人结构一致，只是在驱动轮上缠绕了胶皮条，胶皮条呈梅花状缠绕，突出于驱动轮外缘面。这是为了增加驱动轮的摩擦力，从而增加驱动轮的抓地力。

3.2 车体底盘设计

相扑机器人对重量及外形尺寸都有限制要求，所以车体底盘不能过长与过重。设计底盘形状及尺寸如图3所示，选用1.5mm厚的铝镁合金材料。为了便于在底盘上安装零部件，以及减轻本身车体的质量，在车体底盘上平均钻出多排小孔。

图3 底盘设计图

3.3 推进机构设计

推进机构设计是重点改进部分，由于相扑机器人比赛的对抗性，决定了驱动电机必须有足够大的扭矩。除此之外，还需要更强的防御与进攻能力，设计的装配结构如图4所示，相扑底板的零件图如图5所示，经询问有关企业技术人员，建议零件材料使用Q235，焊接性能与强度都较好。

图4 推进机构部件图

推进机构由相同的4个相扑底板焊接为一体，保证车体的稳定性及牢固性，底板斜铲与水平地面形成45度角。该结构的优势是：当对手进攻我方机器人时，推进机构可以利用贴地底板的斜铲将对手翘起，使其失去进攻能力，我方机器人可以趁势将对手推下擂台。同理，当我方进攻对手时，也是利用该原理将其推下擂台。正是“斜铲”这一独特设计，使本机器人进攻力和防御力完美结合，多场比赛实践证明效果奇佳。

图5 相扑底板零件图

3.4 车轮设计

原来的相扑机器人车轮用市面采购的现成车轮进行改造，车轮外皮是硬塑料套，硬度较高，而且与地面是点状接触，这样车轮与地面的摩擦力就会减小。而相扑比赛要求机器人与地面的摩擦力越大越好，因此对车轮的改造重点就是打磨硬塑料套，用胶皮缠绕在塑料套上，这样可以有效地增大车轮与地面的摩擦力，防止被对手机器人推出场地外。

4. 结束语

改进后的相扑机器人，在发现对手时，利用伺服电机的正反转特性，正面和后面具有同样的进攻力；根据8个方向的避障传感器感应对手迅速调整进攻角度；利用特制的前后“斜铲”将对手紧贴地面翘起使其重心失衡并推出场地外；四面的“边铲”外伸使机器人自身与对手保留一定距离，保护机器人不被对手破坏。机器人的战斗力和防御力全部提升，凭借“铲人”功能屡战屡胜，连续获得机器人相扑比赛冠军。

＊ [1]李昊，郭金鹏，刘勃.四足步行机器人姿态控制方法研究[J].科技传播.2013.21，226—227

＊ [2]石爱平,杜玉杰.高校单片机实验教学系统的设计[J].电气电子教学学报2010.1，84—85

韩田翰，2000年7月出生，男，沈阳市第二中学1817班学生，18届机器人社团社长。