基于STC12C56单片机的轮式足球机器人设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

足球机器人是机器人领域的基础研究课题之-，其研究极富挑战性l1 J。足球机器人比赛-般具有较高的对抗性 ，所以对机器人的机械结构和硬软件系统有着更高的技术要求。足球机器人为机器人足球 比赛的具体执行者，其主要功能是根据程序和算法判断并实现运动指令在-定时间内要求实现的动作。在准确接收到运动指令后，机器人的运动准确度主要取决于机器人本身，包括其控制系统的控制精度、驱动系统的传动精度以及足球机器人的动态特性等 。

轮式足球 机器人作 为足球机器人 中最 常见 的-种3j，具有控制简单 、传动准确、启停迅速、转向灵活、速度快等优点，-直被国内外足球机器人比赛参赛者所采用。

目前常见的轮式足球机器人主要有以下几种形式：①两轮驱动式；②履带式；③全方位式2j。其 中两轮驱动式机器人结构简单，但容易产生动力不足的问题，在足球 比赛正面冲撞对抗中往往不能 占得优势。履带式机器人传动精确，通过性强，但速度灵活性较低。全方位机器人采用特殊的车轮结构和布置，可实现各类平面运动，具有动作灵活、转向自如的特点，但其复杂性也较大地增加了控制难度和制造成本。笔者设计的机器人同时考虑到了三种常见轮式足球机器人形式的优缺点，采用四电机四轮驱动，且两侧电机组独立控制，提高了控制的精确性与运动的灵活性。同时，在控制系统、射门装置和车身结构设计方面均做出了-定的创新，实现了线性调速与连续射门的功能，进-步提升了机器人性能。

2 设计要求文中的足球机器人主要针对同济大学第六届创意机器人挑战赛要求设计。比赛主题为 1V1足球机器人对抗赛，比赛机器人尺寸要求能够将最小水平投影限制在 300 mmx300 mm的矩形区域内，比赛用球为直径约 67 lqllTl的标准网球。

比赛中所用的球门采用创新的三层式设计，从底层至顶层进球后分别记 1、3、5分。由此可见，要想在比赛中获得较高的分数以保证竞争力，足球机器人必须具有可连续射门的机械结构。此外，为保证机器人在场地中控球、转向的灵活性以及良好的操控性，机器人还应具有线性调速功能。

3 机器人结构设计笔者设计的足球机器人总体结构分为发射装置层与驱动控制层上下两层，两层之间用 5 mm厚有机玻璃板隔开，并通过数据线相连接。下面分别叙述两层结构的设计。

(1)驱动控制层结构设计 足球机器人驱动控收稿 日期：2013-07-15作者简介：张丙炀(1992-)，男，甘肃兰州人，本科在读，研究方向：机械设计与机电-体化。

· l33·设计与制造 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·制层的结构和布置如图 1所示。设计 目标为保证尺寸要求，合理安排各控制和驱动单元的布局位置，同时使机器人具有-定的强度，以适应比赛中可能遇到的对抗与撞击。驱动控制层框架结构由底盘和侧板组成，底盘和侧板零件由6 mm铝合金板 CNC数铣加工而成，保证了车身整体强度。底盘上装有控制电路、驱动电路、12 V直流驱动电机以及 65 mm铝合金轮毂轮胎四大单元。底盘前部带尖凹槽为控球结构。

300图 1 控制驱动层结构l轮胎2.驱动 t3锅台金f靛盘4岛 动控制电路安装处s锱合金偻I板驱动控制层整体上采用了对称设计，使重心位于底盘几何中心附近，保证了机器人小车原地旋转时旋转中心也位于中心位置。驱动控制层重量约占整个机器人的70%，这就使机器人车体获得了较低重心位置，从而提高了机器人的稳定性。

(2)发射装置层设计 发射装置层的结构和布置如图2所示。发射装置层主要由机械臂和发射装置两部分组成。其中机械臂由舵机控制，其功能是将球抬起并通过导轨收入发射筒中，为发射做好准备。

发射装置由发射筒、蓄力装置、导向定滑轮、卷扬伺服电机和电磁铁触发器等单元组成，其作用是实现机器人的连续射门功能。

根据中惩点球点处分别攻入 3分，5分门原则，发射筒仰角可按下式设计： vtc ionsc- /3，5 ： 。，式中： 为出射速度，此处取 4～5m/s；仪为发射仰角；2 和 2 分别为中惩点球点距球门水平距离；h ，h 分别为3分、5分球门高度。根据计算结果取发射筒仰角为45。，并在蓄力装置中采用内径 1.6 lTlm，外径 3.2 mil的乳胶皮筋。

(3)连续射门功能的实现 连续射门功能由循环发射程序控制与实现，其基本工作原理为：打开机器人电源开关，发射装置即初始化，发射程序开始运行。卷扬伺服电机正转工作，将高强度尼龙绳绕上绕线轴，同时通过导向滑轮将与尼龙线相连的发射挡板下拉，此时挡板上安装的皮筋从导轨中伸长蓄能。当挡板下拉 130 mlTl行程时，挂钩敲勾住触发杆锁定装置，同时电机开始反转相同的圈数，将弹射所需行程转出。完成以上准备工作后，按下发射按钮，电磁铁通电，其铁心带动触发杆右移 15 mm，将挂钩脱出触发，皮筋弹力即将球射出发射筒，然后电磁铁断电复位。完成上述-套发射动作后，程序自动开始下-次循环并为下-次发射做好准备。

1图2 发射装置层结构1.发射筒 2.皮筋及皮筋导轨 3.发射筒支架 4.饥械臂5.收球导轨 6.电磁铁 7.导向定滑轮 8.卷扬伺服电机9.绕线轴 10.触发杆 l1.尼龙绳 l2.挂钩13.电池放置处 14.发射挡板实验表明，通过精确调整卷扬伺服电机的正反转时间，发射装置可在不进行调零操作的情况下至少连续射门120次以上而不出现较大误差，这-数字完全满足单场比赛的要求。

4 机器人控制系统设计足球机器人控制系统总体框图如图3所示。l2V锂电池为控制器、邑接收拈、电机和电磁铁供电。邑接收拈接收来 自邑器的控制信号并将信号解码传输至控制器∝制器根据具体信号内容控制各驱动拈，进而控制机器人动作∝制系统最小系统版采用了STC12C56XXAD系列单片机实现处理控制。系统总体电路接线图如图4所示。下面分别介绍各拈的设计。

(1)电机驱动拈 电机驱动拈的设计目的是实现控制器接受到的控制指令，并驱动左右两组电机完成控制指令要求的动作(如前进、后退、转向和原地旋转等)。根据设计要求，机器人应具有线性无级调速功能，所以电机采用 PWM(脉冲宽度调制)来驱动。左右驱动电路采用英飞凌 BTN7971B芯片组建双 H桥电机驱动电路，依靠通道选择器 74I S157设计与制造 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·通过试验，该模型的跳跃效果良好，图9为水翼艇跳跃脱离水面的瞬间。该作品参加了2012年江西竖械创新设计大赛，获得三等奖。

5 结 语根据飞鱼的身体外形和运动特点，利用仿生学原理和三维设计软件，对水翼艇的结构和外形进行详细设计，并生成 3D模型。利用学校现有加工条件，简单试制了水翼艇试验模型，经调试最终实现船体的水面跳跃和滑翔功能。由于对流体力学知识的不足，本文不涉及复杂力学特性的计算，对载人应用也没有提供足够的设计计算，但滑翔式水翼艇模型的设计，可为进-步研制载人水上跳跃装置提供设计依据。