（机械电子工程专业论文）足球机器人机构设计及特性研究.pdf

中圈科学技术大学硕士学位论文 摘要 本文通过对四轮驱动足球机器人机构进行设计及动力学仿真分析，得出影响 足球机器人机构动态特性的各种因素，着重对机器人系统的惯性进行了分析，从 理论上导出了减小机器人惯性的一般方法，从而进一步提高机器人启动、停车的 灵活性和机器人响应速度。 首先，本文建立了足球机器人四轮全向驱动机构运动学和动力学模型。通过 对机器人驱动机构运动学和动力学分析，以及对其控制模型进行合理简化，提出 了足球机器人的运动控制方法，可以同时对机器人位置和速度控制，并且控制时 间最优。另外，对四轮全向机器人特有的驱动轮机构和驱动轮布置方式进行设计 及受力分析，研究表明驱动轮质量、车体质量、驱动轮半径、减速比等要在适当 范围取值，不仅方便小车启、停迅速，而且有效防止打滑现象。 其次，通过理论分析计算得出带球机构带球棍的最低转速、带球棍与小球摩 擦系数的选择范围以及理论最佳触球点的位置和角度，使带球机构能够平稳的带 球运行，丢球次数明显减少，并在足球机器人比赛实践中取得很好的表现。 再次，本文对足球机器人击球、挑球机构的设计方案进行比较，优选了一种 电磁击球、挑球机构设计方案。重点对电磁铁进行了定量设计计算，由计算分析 和试验可知，辅助衔铁具有不可取代的作用。在磁铁间隙不为零之前是启动和加 快击球、挑球速度强有力的补充。当磁铁间隙为零以后可以减缓移动衔铁的速度， 以防撞坏部件和机器人振动。通过动力学分析得到了电磁击球、挑球机构的最佳 击球、挑球点位置，使机器人击球、挑球能力有了很大提高。 最后，本文基于a d a m s 虚拟样机技术对足球机器入主要机构进行设计仿真分 析，并结合试验进一步研究足球机器人机构动态特性，为足球机器人机构设计优 化和改进提供了重要依据。 i 主鎏登鲎鏊鲞盔主璧主墼鎏塞 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u tm a i nm e c h a n i s m so f s o c c e rr o b o t t h ef a c t o r si n f l u e n c i n go nt h ed y n a m i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d m a i n l y d i s c u s s e so nt h ei n e r t i ac h a r a c t e r i s t i cp r o b l e ma n dp u t sf o r w a r dt h ew a yt or e d u c et h e i n e r t i ao fs o c c e rr o b o ti nt h e o r y , i no r d e rt of a c i l i t a t er o b o ts t a r ta n ds t o pa n dr e s p o n d q u i c k l y i nt h i sp a p e r , t h ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n so f t h eh o l o n o m i c o m n i - d i m e t i o n a lw h e e l e dm o b i l er o b o ta p r e s e n t e d a n a l y s i n gt h o s ee q u a t i o n s ，t h i s p a p e rp r o p o s eam o t i o nc o n t r o lm e t h o df o rt h er o b o t , i tc o n t r o lt h er o b o tp o s i t i o na n d t h es p e e ds i m u l t a n e o u s l ya n dt h ec o n t r o lt i m ei sm o s ts u p e r i o r a l s o ，c a r r i e so nt h e d e s i g na n dt h es t r e s sa n a l y s i st ou n i q u ed r i v i n gw h e e lo r g a n i z a t i o na n dt h ed r i v i n g w h e e la r r a n g e m e n tw a yo ft h eh o l o n o m i co m n i - d i r e e t i o n a lw h e e l e ds o c c e rr o b o t , t h e p r o p e rv a l u eo f d r i v i n gw h e e li n 8 8 s ，v e h i c l em a s s ，d r i v i n gw h e e lr a d i u s ，a n dr e d u c t i o n r a t i o t h r o u g h t h e o r e t i c a ls t u d y , i n o r d e r t o f a c i l i t a t e r o b o t s t a r t a n d s t o p q u i c k l y , t o a v o i d s l i p p i n gp h e n o m e n o ne f f i c i e n t l y s e c o n d l y , t h ep a p e ro b t a i n st h em o s ts l o w - s p e e do f r e v o l u t i o n , f r i c t i o nc o e f f i c i e n t c h o i c es c o p eb e t w e e nt h eb a ta n db a l l ，t h eb e s tt h e o r yo f h i t t i n gt h el o c a t i o na n da n g l e o fd r i b b l i n gm e c h a n i s mt h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , o a u s e st h ed r i b b l i n g m e c h a n i s mt h em o v e m e n t d r i b b l i n gt ob es t e a d y , l o s i n gt h eb a l ln u m b e r i sd e c r e a s e d o b v i o u s l y , a n dp r a c t i c e sa tt h es o c c e rr o b o tc o m p e t i t i o no b t a i n st h ev e r yg o o ds h o w i n g o n c em o r e ，t h i sa r t i c l es e l e c t st h eo p t i m a lo n ek i n do fe l e c t r o m a g n e t i s mk i c k i n g a n ds h o u l d e r i n gm a c h i n eo f s o c e e rr o b o tc o m p a r i n gs e v e r a ld e s i g np r o p o s a l ，f o c u so n t h eq u a n t i t a t i v ed e s i g nf o re l e c t r o m a g n e t , t h ea u x i l i a r ya r m a t u r eh a st h ef u n c t i o n w h i c hc a n n o tb es u b s t i t u t e d i nt h em a g n e tg a pi sn o tz e b e f o r et h es t a r ta n d a c c e l e r a t et h ea t t a c k , ap o w e r f u lc h a l l e n g et ot h es p e e do ft h eb a l la d d e d a f t e rt h e m a g n e tg a pc o u l db er e d u c e dt oz e r o ，t h es p e e dm o b i l ea r m a t u r ep r e v e n t sb a s h e dr o b o t p a r t sa n dv i b r a t i o n t h eb e s tp o s i t i o na n do p p o r t u n i t yw h i c ht h er o b o th i tab a l lf o r e l e c 恤o m a g u e t i s m k i c k i n g a n d s h o u l d e r i n g m a c h i n e i s o b t a i n e d t h r o u g h k i n e t i c a n a l y s i s ， o a u s e dt h er o b o tt op l a yt h es o c c e rt ob ea b l et os p e n dt h es m a l l e s ts t r e n g t hr e a l i z a t i o n l o n g - d i s t a n c er a n g e ，t h eh i g hv e l o c i t yt os h o o ta n dt op a s sab a l l f i n a l l y , t h ea r t i c l ec a r r i e so nt h ed e s i g ns i m u l a t i o nf o rs o c c e rr o b o tb a s e do nt h e a d a m sv i r t l l a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a n dt h eu n i o ne x p e r i m e n tf u r t h e r s t u d i e st h e s o c c e rr o b o tm e c h a n i s m sc h a r a c t e r i s t i c ，o p t i m i z e df o rt h es o c c e rr o b o tm e c h a n i s m s d e s i g na n di m p r o v e sh a sp r o v i d e dt h eh n p o r t a n tb a s i s i i 主鎏登鲎鏊鲞盔主璧主墼鎏塞 第一章绪论 1 1 机器人足球及研究意义 机器人足球赛是由硬件或仿真机器人进行的足球赛，比赛规则与人类正规的 足球赛类似。机器人足球队的研制涉及自动控制、精密机械、传感与感知融合、 计算机、无线通讯和仿生材料等众多学科的前沿研究与综合集成。机器人足球是 人工智能和机器人学新的标准问题，是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁， 是展示信息自动化前沿研究成果的窗口和促进产、学、研结合的新途径。 足球机器人比赛中双方对抗激烈、赛场情况瞬间万变。要想取得胜利，机器 人足球队必须拥有高度的智能，能够对场上局势和出现的变化做出正确、及时的 感知，并做出迅速和准确的反应。足球机器人在比赛过程中要频繁启、停和加、 减速，经常以较高速度完成直行或曲线运动，机器人小车驱动机构的灵活性以及 带球机构和击球机构性能的优劣是机器人进攻成败的关键技术。机器人小车的性 能取决于软件和硬件两个方面，其中机构设计又是硬件中的重要部分。它的设计 具有现代机构学设计的特点。由于尺寸小，希望实现的功能又较多，设计上要使 各个部分结构紧凑、可靠，又不会干涉有一定的困难，综合国内外先进的机器人 设计技术和足球机器人国际比赛规则，根据制定的设计指标，采用新的设计手段 和分析方法应用到机器人设计中具有重要的意义。 通过足球机器人竞赛，各种不同的新思想、新原理和新技术可以得到客观的 评价。虽然机器人足球只有短短几年历史，它在推动产、学、研结合方面的显著 作用和巨大潜力已经表现出来。因而r o b o c u p 机器人足球世界杯赛和学术大会受 到了世界各国、特别是美、日、德等发达国家的高度重视。 1 2r o b o c u p 小型组足球机器人简介及国内外概况 i 2 1 r o b o c u p 小型组足球机器人简介 目前r o b o c u p 系列机器人足球比赛( r o b o c u ps o c c e r ) 主要包括仿真组、 小型组，中型组，四腿组、救援机器人、两腿机器人六个正式比赛类别。另外还 有面向中小学生的初级组竞赛( r o b o c u p j u n i o r ) 。其中小型组机器人足球系统对 我国以机器人足球比赛开展多智能体协同研究起到了引导和推动作用。 小型组的比赛是由两队各5 名( f - 1 8 0 规则) 机器人球员在一个铺满绿色地 1 主里型兰茎垄鑫耋堡主兰垡鎏苎 ( 毯垫的长方型场地上进行的，机器人的任务是将“足球( 橘红色的高尔夫球) ” 攻入对方的球门同时防止对方攻入自己的球门。在比赛过程中双方的参赛人员完 全不得干预比赛，机器人足球队必须通过自身的人工智能程序完全自主的理解和 执行裁判的判罚，而不是通过遥控。足球机器人必须自主的完成发边界球、死球 后的重新开球、球门球、角球、任意球、点球等复杂的球队整体战术。 足球机器人比赛中双方对抗激烈、赛场情况瞬间万变。要想取得胜利，机器 人足球队必须拥有高度的智能，能够对场上局势和出现的变化做出正确、及时的 感知，并做出迅速和准确的反应。而且，机器人足球队需要有足够的智能来进行 各个队员之间的相互配合，执行复杂的整体战术。这些都是当今世界人工智能领 域的尖端问题，它在工业自动化和国防等领域中有着重要的应用。 小型组足球机器人不仅仅是一个人工智能的问题，它是一个复杂的系统，涉 及到广泛的学科门类，具有相当的难度。它包括：精密机械及驱动、自动控制、 无线通讯、机器人视觉及传感、多智能体控制。 1 2 1 r o b o c u p 小型组足球机器人国内外研究概况 从1 9 9 6 年开始的机器人世界杯足球赛掀起了足球机器人研究的热潮。近年 来，机器人足球系统的研究，随着机器人比赛活动的开展，得到了国内许多高校 和研究所广泛的重视。许多院校不仅把它作为一个研究与测试平台，还将它视为 开展创新教育，提高学校声誉的事情来抓，使得机器人足球活动得以很快普及。 以中国科技大学、清华大学、东北大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学、 浙江大学、广东工业大学等一批在国内最早开始机器入足球系统研究的单位为代 表的许多高等院校，进行了相关软硬件系统的研发，目前已有了多种自主开发的 小型组硬件及软件平台，申请了多项发明专利和软件著作版权，培养了许多博士 生和硕士生。国家自然科学基金委员会和国家8 6 3 高技术计划的先期相关基础研 究支持，起到了很好的推动作用。现在国内每年都能举办2 次以上的机器人足 球比赛，供各个高校和研究单位交流研究经验，共享研究成果。 小型组机器人足球系统研究将向着感知能力更强、通讯更可靠、决策更有效、 执行更灵活的方面发展，在今后还得继续投入更多人力、物力进行研究。 1 3 小型组足球机器人系统概述 足球机器人系统是一个典型的多智能体系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m ) ，每支足 球机器入队伍拥有五个足球机器人，在场上具有各自的角色如：前锋、后卫、守 2 中国科学技术大学硕士学位论文 门员，在比赛中分别承担不同的任务。比赛中，球队的五个足球机器人要根据场 上的局势，通过互相配合的方式完成预定目标，与对方对抗。 ( a ) 现场图片( b ) 系统示意图 图1 - 1r o b o c u p 小型组机器人足球队工作场景示意图 图1 - 1 为r o b o c u p 小型组机器人足球队工作场景示意图。比赛中，图象采 集摄像机被安置在场地的正上方，比赛用球是橙色的高尔夫球，每个球队有一队 标，另外每个队员有一个与其他队员区别的色标，这些颜色标志被放置在小车的 顶部。图像采集卡将摄像机采集到的图像信息送到分析软件，分析软件可以给出 物体的位置信息并进行定位，并将识别结果提供给决策软件，进行实时决策。决 策模块将决策结果转换成特定的信号，通过无线电发射器进行发射。小车上的通 讯系统接收到信号，并通过小车上自带的单片机进行解码，并将相应的命令发送 给机器人的电机，驱动小车运动，这样，就实现了决策模块对小车运动的连续控 制。摄像头、图像采集卡和分析软件实现了信息获取，电子计算机负责智能决策 与知识学习；无线电收发器进行实时通信；机器人完成动作执行。根据各模块间 的数据流程和命令流程，可以得到足球机器人系统的总体框图( 如图1 - 2 所示) 比赛中的“球”和比赛双方共十个足球机器人都是高速运动的，整个足球机器人 系统工作的环境是高度动态的。而且，“球”和对方机器人的动作都变化快速、 不可预测的。这些客观条件决定了足球机器人队的控制具有很大难度，对机器人 机械结构的要求非常高，在实际比赛中常常因为机械故障而丧失夺冠机会。 本 文研究小型组足球机器人为四轮全向机器人，其具有特殊的驱动机构，采用这样 的机构可以很方便的实现任意方向运动，特别是转弯灵活，没有车轮与地面之间 的滑动现象，控制转角准确，在足球机器人比赛过程中，可以精确的实现各种复 杂的路径运动。面对实时变化的“任务”，具有如何快速、精确地控制全向机器 3 入值得深入研究。 s 一转羲开荛l l 玩羹环缓，2 傍翼乎台 图卜2 足球机器人系统总体框囝 1 3 1 视觉系统 足球机器人视觉系统从摄像头采集图像开始，通过对获取的图像进行处理， 得到双方机器人和球的位置、速度以及本队机器人的方向、号码，并将这些信息 传递给决策系统使用，至此完成一个周期的任务。 按照比赛规则，比赛双方分别使用黄色或蓝色，直径约5 0 m m 的圆形色标作 为球队的标志固定在机器人顶部。比赛使用的球为橙色的高尔夫球，直径约4 3 r m 。 另外，规则还允许各队自行设计其它颜色的色标，用于识别本队机器人的方向和 号码。因此，视觉系统需要识别的目标主要包括标识机器人身份的色标和球。 对于摄像头采集到的图像，其坐标为图像坐标系，为了得到比赛实际需要的 世界坐标，必需进行摄像头的标定，得到图像坐标系向世界坐标系转化的投影矩 阵，以确定两者之间的转换关系。然后对图像进行分割，找出需要识尉的目标颜 色块，得到各颜色块的坐标，进一步求得决策程序所需要的机器人和球的中心坐 标。对于运动中的机器人和球，有时需要实时的进行跟踪局部搜索以提高处理速 度。由此，制定出视觉系统整体框架如图i - 3 , 4 l 辐像矢采劓疆i l 图傈采寨卡 l i 格樾双值号数字纯l 掌。 ；l 预处理。遘过投影矩l j l 阵进行坐标转换i i 跨蝴l ll 麓置特征，去豫噪声l l 根据颜色特征分绷像i 塑像采泰 目标识期 数据传赣 图1 - 3 视觉系统流程图 在设计视觉系统需要考虑的问题如下：( a ) 图像增强。滤除噪声，提高质量； ( b ) 图像恢复。对于几何畸变的矫正；( c ) 色标设计与辨识算法研究；( d ) 颜色模 型的选择与亮度不变性的考虑；( e ) 颜色分割与特征提取算法；( f ) 视觉系统处理 信息的速度；( g ) 辨识精度。目前，较好的校准方法由t s a i 等提出，通过校准径 向畸变、切向畸变、畸变中心和焦距等参数获得较高的校准精度。较好的色标设 计方法是有由c a r n e g i em e l l o n 大学提出的色标设计方法，在小型足球机器人中 被普遍采用，其优点是可以利用各色标之间几何关系确定姿态，且精度高。 1 3 2 控制系统总体结构 机器人的控制系统要完成的任务主要包括：接收并执行决策系统的指令；驱 动轮子、带球机构并实现调速；控制击球、挑球机构的开关及力度；检测控球状 态及车体姿态；完成各种底层控制动作；以及增加一些必要的调试手段等。因此， 机器人的控制系统包括主控电路、电机驱动电路，电磁铁的升压及控制电路，球 检测电路及车体姿态检测传感器等。 5 主里型兰茎垄盔翌堡圭兰垡鎏茎 比赛中，机器人足球队的控制系统根据其功能层次，可以划分为决策控制和 运动控制两个层次： 上层为决策控制部分，它是一个多智能体系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ) 的协调 控制系统。它的主要功能是预测“球”和场上对手的运动，组织安排球队级的战 术和配合，利用多智能体协调控制算法为每个机器入安排各自的“任务”。所谓 “任务”即为机器入应该到达的位置及姿态。 底层为足球机器人运动控制部分( 如图1 - 4 ) ，它的功能是根据多智能体协 调控制部分的给定的“任务”控制机器人运动。足球机器人运动控制部分也可分 为两个部分： 速度轨迹生成( v e l o c i t yt r a j e c t o r yg e n e r a t i o n ) 部分；它针对决策控制部 分制定的“任务”，根据机器人当前位置、当前速度、目标点位置和目标点速度， 为足球机器人生成一条从“当前点”到“目标点”的时间最优的速度轨迹。 位置环控制 图1 - 4 运动控制结构图 速度轨迹跟随( v e l o c i t yt r a j e c t o r yt r a c k i n g ) 部分：它控制足球机器人的 驱动机构，实时控制足球机器人的速度跟随生成的速度轨迹，使足球机器人完成 规定的“任务”。 1 3 3 决策控制系统 决策控制部分采用分层控制处理结构，由信息处理层、协调战术层、任务层 和动作层组成。信息处理层：处理场上基本信息，经过预测分析，得出综合信息 并更新旧的公共信息库为后续决策提供知识。协调战术层：根据公共信息库的知 识，从战术库中选择有利于我方的战术，更新球员角色分配表。任务层：根据角 色分配表中自己的角色，确定自己的动作类型与目标坐标，更新私有信息库。动 作层：根据私有信息库的知识，结合场上现实情形，选择合适的执行方案并调用 基本动作实瑰。， 6 决策系统是一个多智能体系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 的协调控制系统。它主 要包括：信息预测处理，多智能体( m a s ) 协调策略、角色任务分配执行、机器人 路径规划、机器人运动控制这几个主要部分，还有很多和其他系统的接口。图卜4 显示的是决策系统的基本组成与运行流程。 图l - 4 决策控制系统运行流程 由于整个机器人系统运作过程中会产生信息传递延时，视觉信息不能真实的 反映当前机器人和球的位置坐标和方向，需要对位置信息进行预测。一般采用的 办法有扩展卡尔曼滤波、线性模型、b p 神经网络等方法。 一段时间内或者有一定目的的机器人队伍整体决策称为战术，根据不同的情 况采用不同的战术。每个机器人都会分配到不同的任务，并且每个战术都有它的 应用条件，通过战术选择算法在比赛中决策系统能自适应对手进行战术选择，对 任何对手都能以最高效率进行比赛。 路径规划的问题是机器人如何避开所有的障碍从一点走到另一点，常用算法 有：基于格点的算法，人工势场法，d e l a u n a y 三角法，几何方法，随机扩展搜 索算法等。 为了使决策程序的开发能不受其他子系统的进度影响，有必要开发一个能模 拟真实比赛情况的仿真软件，对机械，视觉，通讯部分都进行真实的模拟。仿真 平台是小型组决策程序调试的一个重要工具。它是代替真实机器人系统的一个模 拟器，在真实机器人系统或视觉系统不可用的状况下，使用仿真平台可以方便的 调试a i 决策系统。特别是在真实机器人还不够成熟稳定的情况，调试决策程序 的战术是非常困难的，这时候用较为理想的仿真平台就能很好实现战术调试，能 方便的看到决策程序的效果，甚至做分析。仿真平台通过网络接口与决策系统交 7 主里型兰螫垄盔堂堡圭兰垡鎏茎 互，进行比赛，如图卜5 。 1 3 4 通讯系统介绍 图l 一5 决策控制系统仿真平台 在小型足球机器人系统当中通讯系统有着相当重要的作用，担负着将决策指 令及时准确的送达在场上的每一个机器人的任务。通讯系统是衔接决策和机器人 之间联系的不可缺少的一环，它必须保证从主机端和机器人之间的数据传送是可 靠的，从而使得机器人比赛能够顺利流畅进行。由于比赛双方都有多个机器人同 时在场地上高速运动，要求通讯的稳定要好，有一定的抗干扰能力。通讯系统的 性能，相当程度上直接影响着机器人的场上表现。通信系统可以允许双向通信， 通讯系统接口如图卜6 所示。 1 3 5 机器人车体系统 图1 书通讯系统接口 机器人车体一般包含如下部分：机械执行机构和控制电路系统。 机械执行机构是机器人动作的最终执行部分，包括行走机构和球处理机构。 运动机构指的是各个轮子及其驱动电机，用来实现机器人在场地上的奔跑。球处 理机构又包括带球机构、击球机构和挑球机构。机械执行机构的实现方式几乎每 个队伍都不相同，这是由机器人设计理念决定的。 控制电路需要完成的功能有，与无线通讯系统接口，驱动和控制各个机械执 行机构。电路可分为四个部分：( 1 ) 无线通讯系统的接收端。用来接收和解码无 8 中国科学技术大学硕士学位论文 线指令，获得决策命令。( 2 ) 主控制电路。用来执行决策命令，给执行机构的驱 动电路发送驱动信号。( 3 ) 驱动电路，主要用来驱动行走机构和球处理机构等驱 动电路。( 4 ) 传感器电路。用来为执行机构控制提供反馈信息，以达到精确、有 效的执行决策指令的目的。 电路系统与机械执行机构的关系如图1 8 所示。 一堍l 竺 机槭执 r 帆构 冈千瞄恫 一茁功帆j 莓i 一王搴蛙押机梅l 1 4 论文主要研究工作 图1 - 8 机器人操作流程图 本论文的主要研究工作集中在r o b o c u p 小型组足球机器人机构设计上，对四 轮足球机器人机构进行设计及仿真分析，得出影响足球机器人机构动态特性的各 种因素。并对机器人系统的惯性特性进行了重点分析，导出了降低机器人惯性特 性的一般方法，并结合优化设计原则讨论了几个重要的设计指标。 机器人足球系统是个理想的研究平台。足球机器人在比赛过程中要频繁肩、 停和加、减速，经常以较高速度完成直行或曲线运动，机器人驱动机构的灵活性 以及带球机构和击球机构性能的优劣是机器人进攻成败的关键技术。文章对机器 人主要机构进行设计及力学分析，得出影响足球机器人机构动态特性的各种因 素，为设计高性能足球机器人提供了理论依据。 该论文主要内容为如下： 。 第一章介绍了足球机器入的研究背景、意义，对小型组足球机器人系统进行 概括叙述。介绍了本队的研究工作以及本文所述的研究工作在全系统中的位置和 意义。 第二章是足球机器人机械机构设计概述及原理分析，重点分析了足球机器人 系统整体惯性，导出了降低机器人系统惯性的一般方法，为机器人结构优化设计 提供了理论依据。 第三章是足球机器人机构设计及动力学分析。足球机器人在比赛过程中要频 繁启、停和加、减速，经常以较高速度完成直行或曲线运动，机器人驱动机构的 9 灵活性以及带球机构和击球、挑球机构性能的优劣是机器人进攻成败的关键技 术。文章分别对足球机器入主要机构( 驱动机构、带球机构、击球、挑球机构) 进行设计和运动学及动力学分析，得出影响足球机器人机构动态特性的各种因 素，同时对足球机器人击球、挑球电磁铁进行设计分析，得出影响电磁铁吸力的 各种因素和改进方案，为实现远距离、高速度射门和传球提供了有力保证。 第四章是微小型足球机器人机构仿真分析及动态特性研究，采用基于a d a m s 虚拟样机技术对足球机器人机构进行设计仿真，并结合试验进一步研究足球机器 人机构特性，为足球机器人机构设计优化和改进提供了重要依据。 第五章对研究工作进行了总结，对未来的研究工作做了进一步的展望。 l o 第二章足球机器人机械结构及系统设计优化 2 1 足球机器人总体结构 机器人的系统总体结构从上往下分为三层：最上面是识别面板，用于视觉系 统的识别色标和天线；中间是电路板；最下面是机械结构的小车部分，安装在圆 盘底板上，车体外形选择圆形，底板上布置全方位四轮驱动机构，轮子采用全方 位轮，选择带编码器和减速器的电机：中板前端布置带球机构：底板中部布置击 球、挑球机构；两组电池竖放在中层板下端，有利小车重心下移；外罩位于下半 部位，保护机械部分防尘、防撞。 在一个足球机器人系统中控制和机械一直是不可分离的两个最重要的组成。 缺少良好的机构设计，优秀的控制系统也无法发挥出它的性能；缺少了良好控制， 既便有精妙的机构设计也无法实现它的功能。在构建控制系统时，首先要对机器 人系统需求作分析给出控制解决方案，在此基础上构建符合要求的机械系统，如 图2 1 。机构部分由五个主要模块组成，即全向驱动模块；带球模块；击球模块； 挑球模块；辅助模块。这些模块的质量分布有对称分布，也有非对称分布结构， 各部分模块质量m l 的分布的位置对机器人运动的惯性有较大的影响，具体见足 球机器人系统惯性特性分析。 ( a ) 机器人整体( b ) 机器人的机构组成部分 图0 - 1 足球机器人总体结构图 r o b o c u p 小型组机器人足球比赛对机器人的要求有：全向运动且速度快；机 器人控球要求高；射门有力准确；传球、射门速度合适、方向准确等。根据这些 要求，希望机器人有如下特点： 在全方向都有高加速度 1 l 主里型兰茎垄盔翌堡圭兰垡鎏茎 在各种不同的情况下都能稳定的控球 很好的鲁棒性 强劲、准确、可重复的击球、挑球 击球、挑球的力度、速度可变化 更大的带球面 2 2 足球机器人机械结构组成 2 2 1 足球机器人驱动机构 驱动机构是机器人结构设计中的关键部分，目前小型足球机器人仍采用轮式 驱动机构，通常有两轮式、三轮式或四轮式。两轮式结构在底板前后位置加减磨 片或滚动支承作为第三点支撑，结构简单，控制方便，直线运动性好，但转弯动作 不够理想。三轮式结构又可分为多种结构，三轮轴线平行，三轮轴线相交，对称和 非对称分布等，三轮结构的优点是稳定，滚动摩擦力小，但在原理上使得机器人的 速度和加速度受到很大的限制，这个缺点是机器人性能的主要障碍。四轮或四轮 以上结构，其多方向运动灵活性大，但比较复杂，结构设计难度比较大。这里采用 四轮全向驱动机构，目的是增加全向机器人速度和加速度。 足球机器人之所以能全向运动在于它特殊的驱动轮布置方式和驱动轮机构 如图0 一所示，足球机器人的驱动轮机构是圆形大轮的圆周上密布小滚动轮子构 成，整个驱动轮可以沿周向与轴向两个方向做滚动，其中周向受电机驱动，轴向 可自由运动。四组驱动轮及电机成一定角度布置在一个圆周上，通过各驱动轮的 速度矢量合成，机器人可以在平面上实现全自由度运动。 圈p 2 足球机器人驱动轮设计及布置图 全向足球机器人可以很方便的实现任意方向运动，特别是不需转弯可在运动 1 2 中国科学技术大学颈士学位论文 过程中自由随时姿态( 机器人前方朝向) 。全向足球机器人在比赛过程中可以精 确的实现各种复杂的路径运动。 2 2 2 足球机器人带球机构 带球机构一直是机构设计一个难题问题，它涉及到力学、材料、机械等多个 方面。比赛规则规定，带球机构与球面的接触面积不得超过球面面积的2 0 。根 据这一要求，选择使用带球棍旋转摩擦球使球跟随机器人运动，从而来实现带球 功能。顺时针高速旋转的带球棍依靠摩擦力带动小球做逆时针旋转，小球受到的 地面的摩擦力与带球棍的摩擦力的合力指向机器人本体，当足球机器人前进、后 退、转弯时，小球始终在带球棍的带动下跟着足球机器人运动。 由于足球机器入的行走机构设计成全方位四轮驱动，虽然抓地力更强，但是 也带来了抖动( 见4 7 1 足球机器人驱动机构分析) ，给带球机构的设计带来了很 大的麻烦。针对以上问题，带球机构拟采用的设计方案：( 1 ) 设计了悬挂式的带 球机构；( 2 ) 带球杆的位置不是固定的，可以上下调整，在不同的场地比赛时地 面摩擦力不同，调整带球杆的位置相当于调整球和带球杆的摩擦力，以适应场地 的摩擦力，就能获得最佳的带球效果，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 机器人带球机构 2 2 3 足球机器人击球、挑球机构 无论是人踢足球或者是机器人踢足球，一定要完成好“踢”这个基本的技术 动作。踢球在足球机器人比赛中相当重要，击球、挑球机构是完成射门和传球的 工具。击球机构用来实现传统的射门、传球等动作，是比赛中最常用的击球手段； 而挑球机构突破了传统的二维比赛模式，使得机器人能让球直接越过前方机器人 而不必绕行，增加了进攻机会。 要想让足球机器人踢足球像人踢足球样在赛场上能自如的传球和射门，一 1 3 主里型兰茎垄鑫耋堡主兰垡鎏茎 个功能完备的击球、挑球( 踢球) 系统必不可少。因此，设计击球、挑球机构对 于足球机器人的射门和传接球具有重要意义。目前的击球、挑球方式大致有以下 几种：弹簧储能触球、气动踢球、弓弩式踢球、齿轮齿条踢球、电磁铁踢球。实 现在合适位置时，对球产生瞬时撞击的射门动作。这样的机构要求不需要踢球时， 机构回收，有锁定装置，到击球、挑球时能在规定时间内完成踢球并迅速收回。 实践证明弹簧储能踢球效果不好，在踢球之前通过电机将弹簧压缩储能，踢 球时弹簧瞬间释放能量，先前弹簧储存的弹性势能全部转化为施加给小球的冲 量。弹簧踢球瞬间的爆发力与弹簧的压缩量和弹簧刚度成正比，弹簧的压缩量越 大则踢球的爆发力越大，也会增加给小球冲量的持续时间t ：但增加弹簧压缩量 使踢球机构尺寸增大，可靠性降低。弹簧的刚度越大则踢球的爆发力就越大，而 小球受到冲量的时间就会减小。气动和弓弩式踢球机构设计制造复杂，稳定性不 好 齿轮齿条踢球机构由电机，蜗杆蜗轮，扇形齿轮，齿条踢杆等组成。其原理 是：不踢球时，电机不转，蜗杆蜗轮由于自锁性，保持不动，当需要踢球时，控 制信号让电机转动，和蜗轮共轴的扇形齿轮与齿条脱离啮合，与齿条固连的踢球 杆受弹簧力作用而踢球，当扇形齿轮转过一定的角度时，扇形齿轮与齿条又进入 啮合，齿条踢杆被拉回，到后极限位置时，弹簧处于接近最大压缩状态，位置检 测开关发出信号，使电机停转，依靠蜗杆蜗轮的自锁，保持电机停转时的状态。 但这种机构机构设计相对复杂，噪声大，可靠性低。 电磁铁踢球机构是目前足球机器人击球、挑球机构中用的最为普遍的一种机 构( 如图2 - 4 ) ，它的优点是力量大，动作频率高，反应速度快，机械机构相对 简单可靠。利用电磁铁将存储在电容中巨大的能量释放出来转递给球，期望出球 图2 - 4 机器人击球、挑球机构 1 4 主鎏登鲎鏊鲞盔主誉主墼鎏塞 速度达到l o m s 左右，挑球距离可达5 m 以上，将球挑过对方球员时机器人之间 的最短距离小于2 0 c m 并且能通过控制放电时间来控制出球的速度。因此，可 以使用击球、挑球机构来实现不同力度的“传球”和“射门”。 2 3 足球机器人系统惯性考虑 足球机器人系统各模块的质量分布有对称分布，也有非对称分布结构，各部 分质量的分布的位置对机器人运动的惯性有较大的影响，为了保证车体在起动， 停止和运动过程中灵活，轻便，对车体总体的惯性分析很有必要。惯性大小是衡 量足球机器人运动特性的重要指标，表征车体惯性大小的指标有惯性质量和惯性 距，下面分别予以讨论。 2 3 。1 足球机器人系统惯性质量分布 质量是指物体中所包含的物质的量。以牛顿第二定律所表现出的质量称为惯 性质量，以万有引力定律所表现出的质量称为引力质量。惯性质量和引力质量是 两个不同的物理概念，虽然这两种质量实际上在可测精度内相等，但目前尚无理 论把两者统一起来。一般用天平称得的物体质量就是物体的引力质量，惯性质量 是物体惯性的量度，用惯性秤可以确定物体的惯性质量。 足球机器人系统惯性质量分布在三维空间( 机器人总体结构如图2 - i ) ， 毗( i = o ，n ) 为各模块的等效惯性质量，即驱动机构，击球机构，带球机构，电 源装置，底板及立柱，控制、决策电路板，配重块等的惯性质量。x t ，y 。，z 。分 别为各模块质心的坐标。 2 3 2 足球机器人平动时的惯性 足球机器人在工作时主要表现为平动和转动，质心坐标对平动惯性影响最 大，为使四个车轮对场地产生的摩擦力相等，保证车体运动平稳，车体质心必须 位于z 轴上，且z 轴方向的质心越低越好，防止车体正、反向平动及刹车切换时 车体的倾覆晃动。 2 7 2 1 质心模型的建立 空间各零部件的等效惯性质量为m 。( i = o ，n ) ，各零部件质心的坐标分别为 ( x 。，y 。，z 。) 。由静力学知，该质点组的质心坐标( x ，y ，z ) 为： 1 5 扣器胪器舻蛩吼力= 紫， 根据该模型可求出各模块和机器入系统的等效质量和质心。 2 7 2 2 作图法实验验证 如图2 5 所示，以两部件为例，求其质心位置和惯性质量大小。 在水平直线a b 上，按部件在水平方向上的位置，作a c 、b d 两力矢量，a 、b 为两力作用点，a c 、b d 两线段长表示两力的大小，b d o 。在e n 中有限质点组a 1 ( m 。) ( i = 1 ，2 。3 ，m ) 关于( n - 1 ) 维超平面0 的转动惯量为： s ，= 聊，刃( 面为点4 到口的距离) ( 2 2 ) 使转动惯量s 。取最小值的( n - 1 ) 维超平面o 。称为质点组a i ( m 。) ( i = l ，2 ，3 ，m ) 的最小转动惯量平面，并把此质点组关于0 。的转动惯量称为质点组关于平面的 最小转动惯量。 设e n 中质点组a i ( m 。) ( i = i ，2 ，3 ，m ) 重心为g ( g 。，9 2 ，g h ) 。 f 妻v 门i 坍 l g ，= l 号- 一l ( f = 1 , 2 ，玎) ( 2 3 ) l 荟jl 产l 1 7 记巳= 爿鼬k 乩2 ”一， ：i 一| f 目：l 、 m ，j f c l tc i z c 1 1 c ；l c 2 t 气i 1 “i 则： 【气j 称c 为质点组a i ( m i ) 的相随矩阵。若在矩阵c 中的诸分量c 。中令m t = 1 所得矩阵 记为c 。称为e n 中点a l 的相随矩阵。则在e n 中，过质点组凡( m 。) 的重心，法向量 为相随矩阵c 的最小特征值 。所对应的单位特征向量的( n 一1 ) 维超平面0 。就是 指点组的最小转动惯量平面，且此质点组关于平面的最小转动惯量为： s o = 五辨，( 2 4 ) = l 显然，o 。的法向量为此点组的相随矩阵c 。的最小特征值所对应的单位特征向量， 则点a 。，a | 。a 到超平面的距离平方和最小。 2 7 3 2 转动惯量实验验证 这里采用集成开关型霍尔传感器4 来测量下落时间，用落体法测量机器人的 转动惯量。将待测机器人l 的转轴两端在实验台3 上自由支承起来，在外圆周边 上排绕一条柔软的不伸长的细线，细线的一端2 固定在机器人外圆周上，另一端 通过滑轮5 与质量为l d 的砝码盘6 相连，在砝码盘中所加砝码质量为m ，如图 2 - 7 所示： 一l 2 广j叫 jl 1 f 3母 l 0 图2 7 转动惯量测量实验 当砝码盘及砝码由静止自由下落时，忽略滑轮及绳的质量。由刚体转动定律可得： t r 一虬= j p ( 2 5 ) 式中，t ：( m + 曲g 为绳中张力，r 为机器人圆周半径，即相应的转动半径，m 。为 1 8 摩擦力矩。砝码由静止下落高度为h 时所用时间为t ，则： 矗= j 1 口= 巾j = 警2 。 由( 式2 5 ) 得： ( t r t + m o ) g r = 以+ 礤 ( 2 - 6 ) 所求绕z 轴的转动惯量j 为 j - - r t 2 胁+ m o 谤一心】2 ( 2 7 ) 改变m 及h ，并测出相应的下落时间t ，多次测量取平均值即可准确计算机器人的 转动惯量。运用霍尔传感器计时可减小了测量时的手控计时误差，提高了实验的 准确度。 2 3 4 控制机器人系统惯性的一般方法 基于以上分析方法，为了保证机器人启动、停车的灵活性，减少延时时间， 以最快速度响应决策系统指令，从惯性理论的角度定性分析了在结构设计时应考 虑以下方面问题： ( 1 ) 对于单个模块质量，m i = pv ，在满足车体性能前提下尽可能选用密度小 的材料，结构上要求避免实体结构，以减少实体质量。 ( 2 ) 尽可能采用对称质量分布结构，质量较大的零部件安放在靠近原点位置。 ( 3 ) 对于材料的不均匀性，制造、装配的精度等的影响所产生的偏心质量采 用配重平衡，配重块安装在底版上，尽量避免使用。 “) 车体转动时由于采用全方位四轮驱动机构，车体基本围绕z 轴转动，转 动惯量相对较小，在实际应用中影响不很明显。 ( 5 ) 各模块质量m 。应越小越好，同时系统各个对称质量块应以原点对称分 布，质量大的应分布在中心位置，离底盘中心较近，且高度方向越低越好。例如： 电机组布景在底盘的中心0 附近，电池组放在紧贴电机组位置的侧面或后面。 ( 6 ) 各个质量块的质心距离z 轴越近越好，即x 。，y 。应最小，减小系统惯性。 1 9 第三章足球机器人机构设计及动力学分析 足球机器人系统是一个典型的多智能体系统，利用足球机器人比赛，可以研 究和检验人工智能的发展水平，也是国际上通过比赛提高机器人学和