基于Robomaster哨兵机器人的360°传弹方法

王瀚，李国利，胡晓航，田田

（哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 150080）

0 引言

近些年来随着机器人竞赛的发展，涌现出各种各样的比赛，在这其中有一项以射击对抗为核心的比赛在众多比赛中脱颖而出，这便是Robomaster全国大学生机器人大赛。

这个比赛通过发射17 mm的子弹命中敌方装甲模块，来进行计分和判定胜负。这个比赛的一大亮点便是发射实体的弹丸来命中敌方装甲。如果想要在这个比赛中获胜，有一套稳定的传输和发弹机构是必不可少的。在这个比赛中有一类机器人便是哨兵机器人。得益于导电滑环技术的发展[1]，目前的哨兵机器人云台普遍能够360°自由旋转。拥有360°自由旋转的云台，能让哨兵机器人在赛场上更加灵活。但新增的导电滑环会占据原有的传弹管路，子弹必须通过其它途径到达下方云台。图1所示为赛场上的哨兵机器人。

图1 实际比赛场上的哨兵机器人

由于哨兵机器人倒挂在轨道上，用于储存子弹的弹仓不能放在下方的云台上，只能放在机器人的整体框架上。因此要将子弹从弹仓运送到下方发射机构，必须跨过云台yaw轴电动机。云台的供电可以用导电滑环来完成。子弹运输方面，本文所提出的这套机构将会提出一种新的解决方案用于传递子弹。其核心原理是将子弹通过特殊机构在云台电动机外部加以引导，让子弹能够沿着电动机外壁运动到下方云台之上。而且这套机构能保证以相同的位置将子弹送入下方的云台。

对比其他2种方案，这套方案有更高的可执行性。在比赛过程中哨兵机器人需要将子弹从弹仓传入到下方发射机构当中。目前的解决方案是：定制空心滑环，让子弹从滑环中间穿过。但这样会导致整个体积变大，而且空心滑环体积较大，较为笨重，不利于机器人轻量化。目前已知的第二种解决方案是：将弹仓和发射机构都放在云台上，但这样会导致云台质量过大，反应速度下降，而且对电动机的损耗也会增加。

为此我们查阅相关文献，参考各类相关技术论坛，以及各个战队已经成熟方案的开源图样，对现有的机械结构进行创新。并利用三维建模软件对其进行具体的结构设计和细节优化，确定了最终的相关参数尺寸。并且对子弹在机构中的运动轨迹进行了分析和计算[2]，计算了子弹在机构中的运动速度[3]和运动轨迹。由于这套机构采用一种回旋装置来对子弹进行约束[4]，回旋的过程中有可能对机构产生破坏，所以我们用有限元分析对易损件进行校核。最后得出结论，设计的结构是合理的，这也说明了该方案的可行性。

1 具体实施方案

1.1 设计要求

要求在下方云台任意角度运动的时候能够传递子弹，而且不会影响云台的正常运动，同时要求下方云台能够接收到上侧弹仓传过来的子弹。

1.2 工作原理

解决技术问题所采用的技术方案是：利用一个圆环和一个圆盘分别固定上下两部分。由于圆的特性，不论上下两部分以何种角度，两装置的投影都是相同的，利用这一点就可以让子弹通过两个装置进行传递。上部的圆环可以将子弹约束在下方圆盘上方，这样子弹由于重力作用就会落入下盘，下盘带有斜度，最低处有开口，子弹从开口脱离机构，从而达到传递子弹的目的。而下盘跟随云台一起转动，两者无相对运动，所以子弹能保证进入下方云台时位置不变。工作时的弹丸喷射进入机构如图2所示。

图2 弹丸喷射原理图

1.3 传输说明

这套机构由4个部分组成。图3为机构的剖面图，工作过程中电动机上下有安装孔，分别连接上下两部分，电动机为下部分提供转动的动力。上引导装置2固定于上部分，和机身本体相连，在电动机转动的时候不动。下引导装置4和云台相连，电动机转动时随着云台转动。子弹通过上引导的圆形管道口进入主体机构，由于上引导装置的作用，子弹始终被限制在下部引导装置的上方。同时子弹由于重力作用会落到下引导装置上，下引导装置为开口结构，用于接纳从上引导装置落下来的子弹，同时该机构内部有斜度，由于重力作用，子弹会落到下引导装置的最低处，同时最低处设有出口，子弹会从此开口落出。由于下引导装置随着下部分旋转，所以下部引导的出口和下部分相对位置固定，可以将子弹传递到下方云台。

图3 机构剖面图

2 物料运动状态和强度分析

2.1 运动分析

在弹仓中的子弹通过弹仓下部的拨弹装置进入输弹管道。拨弹装置由拨弹轮和拨弹仓组成，拨弹轮和小型电动机相连，子弹经过拨弹轮的梳理会有序进入管道，同时经过拨弹轮后子弹会获得一定的速度，这有助于子弹后续的运动。经由拨弹轮整理后的子弹会进入引导装置。而不同的初速度的子弹进入环形引导装置的具体运动情况也不一样。分情况讨论。当两个装置相对位置恰好为图4所示的位置时子弹经过装置所用时间最少。

图4 子弹进入系统后以最短路径脱离

假设物料以初速度V进入环形引导装置，子弹在引导装置中竖直下落的距离为h。目前已知引导装置内径为124 mm，比赛用的子弹为17 mm。

图5中虚线为子弹动轨迹曲线。当子弹从管道射入装置内，开始做平抛运动，其运动规律为二次抛物线，当子弹触底时恰好下方引导装置开口在子弹下落着地点，子弹从装置内脱离，不与下方引导装置接触，直接进入下方云台。设子弹以初速度0.72 m/s进入装置，装置高度为42 mm，由自由落体公式h=gt2/2可以算出下落的时间为0.09 s，物体所走的水平距离为65 mm，即恰好可以脱离下引导装置的最短时间为0.09s。

图5 子弹以最短路程经过装置时的轨迹

子弹在装置中运动距离最长，2个机构的相对位置如图6所示。当子弹射入装置后，会受到上引导装置的限制，沿着上引导装置内壁做回旋运动，最终落到下引导装置的托盘之上。在俯视图中，物料所走的路程为一个直线段加半圆，同时物料还有高度上的位移。现在分2种理想情况进行讨论。第一种情况是：物料初速度较大，不接触底盘，直接沿着装置内壁运动，从出口脱离。第二种情况是：物体初速度较小，经由滑环下部滑出出料口。在第一种情况下，物体运动分为两个阶段：第一阶段做平抛运动，第二阶段与内壁接触开始做圆周运动。比赛中子弹的大小为17 mm的球体，引导装置的内径为124 mm，减去球体的直径得到球体质心所走路径为一个107 mm的半圆，同时测得球体所走的直线距离为64 mm。得到总的路程S=64+107π=400.1 mm，由自由落体公式可得物体的运动时间为0.09 s，由公式S=v·t可以算出进入物体的初速度v=4.4 m/s。第二种情况下，速度过小就会落到下盘。具体下落时间与下盘的运动角速度和角加速度有关，而且与下盘的运动方向有关，当子弹的运动方向和下盘的运动方向一致时时间变长，当子弹运动方向和下盘的运动方向相反时时间缩短。

图6 子弹以最大位移从装置中脱离

2.2 强度校核

通过运动分析可知，上引导装置将会给弹丸提供一个向心力，如图7所示。速度越快，需要的向心力越大，外壁所受到的反作用力也越大。如果速度大到一定程度，外壁所受到的反作用力将会使外壁发生形变。如果受到的力过大则有可能发生损坏。因此需要对易损件进行强度校核。

图7 球形弹丸会与外壁接触

下面利用SolidWorks进行有限元分析。在上引导装置的内壁加上一圈向外方向的力来模拟提供给子弹的向心力。仿真结果如图8所示。

图8 受力后应变图

通过图8可以清晰地看出，当施加相等外力在周圈上时，靠近入口的半圈受力应变最大，而远离射入口的半圈受力所产生的应变小。而给子弹提供向心力的主要为远离射入口的半圈，而靠近射入口的半圈几乎不受力。由此可以得出结论，这个件的受力是完全合理的。

3 应用推广

这套系统不仅可以应用在Robomaster比赛赛场上，还可以应用在各种机械臂上，作为传输过程中的一个中转站，这套系统可以安装在相关的机械臂上。例如在医疗机器人领域可以用于运输药丸，将药丸利用这套系统从机械臂外围运输，从而减少机械臂来回抓取的时间，提高效率。还可以用在工业生产中。在工业生产中的装配机械臂，可以将较小的零部件从机械臂外侧运输，而减少了抓取的时间。图9所示为分拣机器人，利用这套机构可以将物料通过机械臂的外围直接运输到分拣机械手上，减少了机械臂的运动复杂性。

图9 分拣机械臂

4 结论

通过设计并校核一个新的机构，改进了一种Robomaster哨兵机器人的传弹方法。采用一种新的中间机构，能够让子弹顺利跨过云台电动机，消除了加装导电滑环所带来的不良影响。而且对不同初速度进入装置的子弹运动轨迹进行了分析和计算。提出了机构中的易损件并分析了易损件的易损原因，最后通过SolidWorks有限元分析校核了该件的强度，分析了易损件中不同位置的受力情况，验证了这个机构的合理性和可行性。最后进行了应用拓展，分析了在不同领域内这套机构的具体拓展形式。虽然这套机构有较为广泛的应用性，但同时这套装置也有一定的不足。目前这套机构只能用于传递圆形子弹，无法适用于形状更复杂的不规则物料，这也是今后研究和改进的方向。