维普资讯 http://www.cqvip.com 第２１卷第４期 ２００７年７月 山东理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．４ Ｊｕ１．２ｏ０７ 文章编号：１６７２—６１９７（２００７）０４—００９４—０３ 足球机器人运动分析与机构设计 张磊安，黄雪梅，魏修亭 （山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９） 摘 要：通过对足球机器人进行运动学分析，建立了其运动学与动力学模型；针对其不能快速 制动的问题，从受力角度出发实现了其优化设计，并对其中的挡球机构进行了创新设计，同时 对高速时的跳动问题进行了分析，为设计高性能足球机器人提供了理论依据． 关键词：机器人；制动；优化设计；机构 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｏｏｔｂａｌｌ ｒｏｂｏｔ ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ—ａｎ，ＨＵＡＮＧ Ｘｕｅ—ｍｅｉ，ＷＥＩ Ｘｉｕ—ｔｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｇｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｏｏｔ— ｂａｌｌ—ｒｏｂｏｔ．ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓａｂｉｌｉｔｉｙ ｔｏ ｂｒａｋｅ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂａｌｌ—ｂａｒｒｉｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｂｅｉｎｇ ｓｕｂｊ ｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｎｔ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｏｏｔ— ｂａｌｌ—ｒｏｂｏｔ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｕｎ—ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｂｒａｋｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 足球机器人作为足球比赛的具体执行者，其主 要功能是根据上位机的策略算法准确地执行运动指 令，并在一定的时间内完成运动．在接到运动指令 后，机器人的运动情况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，针对当前很多机器人刹车 性能较差、高速时容易跳动的问题，有必要进行机器 人结构全新设计，以更好地适应比赛要求． １机器人运动模型建立 机器人小车属于双轮驱动移动机器人，因此， 仁辜 ㈩ 收稿日期：２００６—１２—２４ 作者简介：张磊安（１９８２一），男，硕士研究生 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 张磊安，等：足球机器人运动分析与机构设计 ９５ ｓ一［ １／Ｌ２ １／２Ｌ ＶＬ］ 由公式（５）可以看出，当“ 时， 一￣／—（Ｍｑ－ｍ—）ｇ２／ｍｅ ＜０，此时小车会离开地面上跳，变得十分不 稳定．为了提高最大稳定速度，需要增大 的值， 这里可以通过增大（Ｍ＋ｍ）的值来实现，这样不但 减少了上跳的次数而且还降低了打滑的可能性． ｃｏ ｓＯ ］ ㈤ ２驱动方式分析及机构设计 ２．１机器人驱动方式分析 轮式机器人的驱动方式通常有３种形式：双 轮式、全方位式和四轮履带式．其中，四轮履带式 虽然具有良好的驱动性能，但是他的转弯灵活性 特别差，控制结构很复杂且难以实现．双轮式驱动 机器人的灵活性能非常好，结构简单且容易实现， 但是当小车的质量偏轻时，它的致命缺点是容易 打滑，又因为电机的固有偏心，容易造成电机高速 运动时的跳动，我们选择两轮驱动方式，存在的问 题可以通过下列措施得到解决． ２．２跳动问题解析 假设转子的轴通过定子的质心，其受力分析 如图１＿２ 所示．其中支撑力Ｒ 为在 方向的反 力，ｍ为电机转子的质量，Ｍ为除转子之外的小 车质量，ｅ为转子质心０ 到定子质心０２的距离， ０９为转子角速度．为了求支撑力的反力，运用质心 运动定律＿２ 有 Ｒｘ＝一ｍＰ ｃ。ｓ∽ （４） １Ｒ ＝Ｍｇ＋ｍｇ－－ｍｅｏ） ｓｉｎｗｔ 由式（４）可见，小车的支撑反力是时间的正弦 和余弦函数，这种因为偏心而引起的受力周期性 变化将使小车振动，这是造成小车高速运动时不 稳定的重要原因之一． 另外，可以得出支撑反力的最大值和最小值 分别为 ｒＲ—ａｘ—ｍＰ ＩＲ ｉ 一０ １ Ｒｍ 一ｍｇ＋Ｍｇ＋ Ｐ ｌＲ＿ｙｍｌ 一ｍｇ＋ｊ 一ｍｅｏ） 图１受力分析图 由于双轮式机器人的重心不可能完全在轮子 的正上方，因此，为保持小车的稳定性，就必须采 用三点支撑的方式．我们采用两个驱动轮放在一 侧，万向支撑轮放在另外一侧的方式，其最大优点 是稳定性好，并且转弯灵活． ２．３驱动方式选择 由于大多数小车的制动性能不是很好，所以 有必要对其进行详细分析并改进．先对小车的受 力情况进行分析，在三点布置的情况下，小车的重 心应位于３个重心所构成的三角形内．２个驱动 轮和１个支撑轮的受力形式 如图２所示． 图２减速时受力分析图 图２中，Ｌ为小车总长度；Ｇ为小车重心位 置；ｍｇ为小车所受重力；Ｆ 为驱动轮所受力；Ｆ 为支撑轮所受力． 假设小车向左减速运动，并且采用前轮驱动 的方式，对其进行受力分析得 维普资讯 http://www.cqvip.com ９６ Ｆ１＋Ｆ２＝ｍｇ 山东理工大学学报（自然科学版） （６） （７） 小球速度与水平线夹角为ａ．从图３可以看出：ａ Ｆ１×Ｌ１＝ｍａｈ ｍｇｃ＋Ｆ２×Ｌ２ 角越大，水平速度越小，即对小车的撞击就越轻． 但是从图３还可以看出，当ａ角越大时， 角 越小，按照比赛规则，持球部分最多能占到１／３， 所以 角有一个极小值．可以得出车铲角度 与 碰撞点０距地面的距离ｈ的关系为 对式（６）与（７）进行计算得出两轮的受力大小 为 血Ｆ一１一Ｌ １一——ｍｇ十 瓦＋Ｌ２ ｍｇ＋ｊ＝＿ ｍｎ ｍ （８）（ （９） Ｆ２－－ ｍｇ—Ｌ ｍ一—Ｌ—Ｌ２ ｍ ｆｓｉ 一—ｄ／２ －ｄ／３—１／３ １＋从式（８）与式（９）可以看出：当小车减速时，Ｆ。 增大，而Ｆ２减小，即驱动轮的受力增大，而支撑轮 的受力减小，这样小车便具备了更好的刹车功能． ３车铲的优化设计 由比赛规则 。 可知，从顶部或侧面看到的球 不能超过球直径的７Ｏ ，为了使足球机器人在运 球的过程中能更好地拢住球，不至于很容易丢球， 这就对挡球装置提出了更高的要求．通过理论计 算设计的一种新的车铲结构 如图３所示． 图３车铲设计示意图 碰撞时，球首先与车铲０点相碰撞，而不是 直接与车身相撞，这样可以减小球的水平速度．因 为车铲撞击的是小球的中心点以下，所以碰撞后， ｛Ｊ 一ｄ ／２一 一（１ｏ） （３—２ ｘ／２）ｄ／６ 式中：ｄ为球的直径． 通过公式（１０）得到了车铲的结构参数并对其 结构进行了优化设计，不仅可以使小球对机器人 的撞击最小，而且在运行中可更好地拢住足球，不 至于丢球． ４结束语 就机器人的运动本质进行了分析，通过部分 机械结构的优化设计，使踢球装置简单而有效，具 有较强的鲁棒性．通过对小车进行受力分析，较好 地解决了高速运动时的跳动问题，并采用了前轮 驱动方式，使之具有了较好的刹车性能，经过比赛 验证，能较好地适应比赛要求． 参考文献： ［１］蔡自兴．机器人学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０００． ［２］吴德明．理论力学基础［Ｍ］，北京：北京大学出版社，１９９５． ［３］李实，徐旭明，叶棒，国际机器人足球比赛及其相关技 术［Ｊ］．机器人，２０００，２２（５）；４２０—４２６． ［４］傅则绍，卢子馨．机构设计［Ｍ］．东营：石油大学出版社， 】９９８．