智能足球机器人系统第13章智能中型足球机器人系统的构建

《智能足球机器人系统第13章智能中型足球机器人系统的构建》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、2021/10/71第13章智能中型足球机器人系统的构建(DIY)陈万米张冰朱明等上海大学大学生科技创新实验中心上海,200072,wanmic@163.com2009.8第三部分智能足球机器人系统的构建（DIY）目录2021/10/7213.1智能中型足球机器人的机械结构部分（DIY）2021/10/73根据足球机器人的功能要求，采用了模块化设计思想，设计智能中型足球机器的机械结构。整个机器人由驱动模块、踢球模块、全景镜模块和机架组成。全向移动平台2021/10/74机器人采用全向移动的运动方式，可以同时实现朝任何方向的直线移动和以自身

2、为中心的旋转，与传统的差动运动相比，机器人的移动更灵活。上图分别显示了三轮和四轮全向机器人的速度分布空间。采用三轮时，各个方向上的最大速度几乎相等。相比之下，四轮全向机器人在45度角方向的最大速度明显小于90度方向。电机2021/10/75机械结构2021/10/762021/10/77实际制作时，驱动模块固定架由电机固定板、电机架、左右支撑和轴承座组成。考虑到在比赛机器人之间的相撞会比较频繁，因此在选材上要选择高强度的材料，比如选择硬铝LV12材料来加工加工固定板、左右支撑和轴承座。考虑到整个机器人的质量不能太重，电机架所受的冲击比较小

3、，选用工程塑料ABS来加工。右图为电机架和轮轴的CAD模型图。全向轮2021/10/78全向运动的关键结构为全向轮，其设计思想是：驱动轮可以在不平行于驱动方向上自由滚动。将几个这样的全向轮组合成一个系统，在这个系统中单个的轮子在一个方向上可以提供扭矩，但在另外一个方向上（通常是轴线方向）能够自由滚动，组合起来的整个系统具有全向运动的功能。单片全向瑞士轮2021/10/79单片全向瑞士轮制作工艺相对简单，运动过程中单个小从动轮与地面接触为离散的点接触，当离散的接触点在轮滚动的过程中，出现多边型效应，造成整个轮体出现幅度较大的颠簸起伏，对运动

4、控制的精度影响很大。在实际使用中，不是很理想。双排全向瑞士轮2021/10/710双排全向瑞士轮，通过内外两层复合轮体实现与地面的连续接触，在运动地表平面度比较理想的情况下能实现全向运动的效果。但其运动过程中，由于内外两层轮体交替与地面接触受力，从而产生了动载荷效应。在此选用双排全向瑞士轮作为机器人的全向轮。差补全向轮2021/10/711差补全向轮把单片和双排全向瑞士轮的结构优点组合在了一起，同时又克服了前两者的缺点，既没有多边形效应，也没有动载荷的产生，可以实现平滑的全向运动，但其结构工艺相当复杂，成本高，使用寿命又相对较短。气动踢球

5、系统2021/10/712在设计实现踢球功能上，选择以挑射作为踢球方式，以气缸作为执行元件，通过电磁阀控制气缸活塞的伸缩，驱动杠杆机构将足球挑起射门。整个踢球模块由可乐瓶、电磁阀、气缸和杠杆机构组成。踢球、挑球机构示意图2021/10/713踢球机构的气动回路用于挑球的杠杆机构简图2021/10/714在具体制作中，选择SMC内径40mm的气缸，选择FESTO二位五通电磁换向阀，其型号为MFH-5-1/4-B，如右图。在储存压缩气体方面，选择2L或更大点的可乐瓶作为储气罐。向储气罐充气时，其内部气压一般达到7bar左右即可。在利用杠杆原理

6、设计挑球杆时，选择框架结构，整个结构由踢杆、踢板、转轴和连杆组成。踢板和球接触，在转轴转动的过程中，将球挑起一定的高度。2021/10/715在考虑机器人带球功能时，设计在足球机器人上加装内部穿了弹簧的黑海绵材质的保温管，依靠保温管和足球之间的摩擦来实现带球。下图是装配完后的全向移动平台底盘、气动踢球装置和被动带球装置的足球机器人内部结构图。13.2智能中型足球机器人的底层硬件电路部分（DIY）2021/10/716智能中型足球机器人底层控制系统采用FPGA为核心器件，在FPGA中嵌入NiosII软核处理器实现可编程片上系统。整个底层电路

7、系统完成和上位机（笔记本）的通信，控制相关机械部件完成足球机器人的运动、找球和踢球等相关动作。电路原理部分2021/10/717供电模块底层控制系统由12V和24V两种锂聚合电池提供电源输入，其中12V电池供FPGA及各外围控制芯片等工作。24V电池主要供3个驱动电机及足球机器人气动系统的工作。USB通信模块2021/10/718在足球机器人比赛中，机器人底层控制系统一方面要及时、准确地接收决策上位机下发的控制指令，另一方面要定时向决策上位机传送大量代表足球机器人当前运行状态的数据，因此对传输的要求很高。这里用FT245RL通讯芯片解决F

8、PGA和笔记本之间的通信。FT245RL是由FTDI公司提供的USB通讯接口解决芯片，无需编写片内固件程序，决策上位机可使用FTDI公司提供的驱动程序。FT245RL外围电路设计如下图所示。F