机器人设计范文第1篇

（北京邮电大学世纪学院电子与自动化系，北京 延庆 102101）

【摘　要】双足类人行机器人一直都是国内外非专业和专业机器人爱好者重点研究的项目。介绍了具有gps定位功能的双足机器人的行走运动控制，主要研究了对标准的“加藤一郎”约束结构的人形机器人进行行走运动控制，对硬件的控制系统进行合理的设计，动作流程的规划，完成软件的编程。机器人选取了被人们广泛使用的51系列单片机，采用的是单片机STC12C5A60S2，并集成了GPS模块，使机器人拥有了定位功能。

关键词 人形机器人；单片机STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”约束结构

0　引言

类人形步行机器人的控制还有它的相关技术的研究无论是在国内还是国外的机器人领域中都有着重要研究价值，同时机器人的研究成果和当今的社会有着密不可分和不容忽视的意义，所以这项科学一直成为机器人研究的热点之一。

时至今日，设计并完成具有GPS定位功能的类人形机器人的运动控制，需要满足以下几个基本功能：其一是研制出两足步行机构，并使其能在许多结构性、非结构性环境中完成行走任务，从而代替人类进行诸如延伸、作业、扩大活动等领域；二是更多地了解和掌握人类步行时的特性和技巧，并且利用这些特性来为人类服务；三是两足人形机器人的步行系统，具有极为丰富的动力学特性。在这方面进行的研究，可以拓宽力学以及机器人学的研究方向。

1　系统结构设计

本设计采用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，集成了两片存储芯片AT24C512，GPS定位模块并设计了35个IO双向接口，用于传感器及电机的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 单片机。单片机的工作电压为3.3 V～5.5 V（5V单片机），兼容普通8051的定时器或4个外部中断，工作频率在0-35MHz之间，有6个16位定时器，具有看门狗和EEPROM功能，并且内部集成MAX810专用复位电路 。使用内部R/C振荡器时钟 11MHz-17MHz。

GPS模块性能的价值指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、时间精度、功耗等。在不同的启动模式下，模块开机定位时间有很大不同。一般来说，模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况称为冷启动时间，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内；模块内部有较新的卫星星历（一般不超过2小时），但时间偏差很大的，称为温启动时间，一般标称在45秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。

人形机器人设计了35个IO接口，其中包括万能接口11个，万能接口可以选择7.4V 或5V 电压供电，可选上拉电阻或下拉电阻。可用于各种扩展舵机和传感器。

由于双足机器人运动控制的复杂性，为机器人使用的STC12C5A60S2单片机集成了两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共有128KB，这样可以让机器人程序存储器空间扩充至190KB。AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部共有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16 位，地址范围为0000～0FFFFH之间。其优点就是，采用8引脚封装，结构紧凑、存储容量大。在测控系统中被大量采用，可以在2总线上并接4 片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统。

本设计采用由德州仪器公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。串口通信指的是数据的各位按顺序一位一位传送。他的优点就是，只需一对传输线，占用硬件资源少，适用于远距离通信，而缺点则是，传送速度较慢。本设计所采用的是4pinRS232接口带“CTS”判断位，可以同时输出RS232电平和TTL电平。由于电脑串口RS232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统所采用的信号电压是TTL电平0+5v，所以需要进行电平转换，这也就是使用max232的原因，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

2　软件设计

根据双足类人形机器人行走控制系统的功能需求和硬件电路特点，软件系统需要满足以下3个要求：

1）软件模块化，并且需要有很好的可维护性，可扩展性。

2）能够实现PWM 信号的分时复用，并且要保证PWM 信号的高精度。从而通过软件，及时地改变PWM 的输出。

3）可以满足机器人多自由度控制的实时性。

3　结论

双足类人行机器人是近年来的前沿学科，它涉及人工智能、自动控制、仿生、通讯、机械电子等多个领域的技术融合。本论文重点研究了机器人的行走规划以及GPS定位功能的实现，经实验验证，所设计的机器人能够在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

参考文献

［1］蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[C]// 中南工业大学学报:机器人学大会论文专辑.2000.

［2］王志良.竞赛机器人制作技术[M].北京:机械工业出版社，2007.

［3］刘志远.两足机器人的动态行走研究[D].哈尔滨工业大学，1991.

［4］郭志攀.小型机器人设计及运动规划研究[D].哈尔滨工业大学，2007.

［5］马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社， 1997.

［6］张建民.机电一体化原理与应用[M].长沙:国防科技大学出版社，1992，1.

［7］曲家骐，等.伺服控制系统中的传感器[M]．北京:机械工业出版社，1998.

［8］秦志强，等.基础机器人制作与编程[M].北京:电子工业出版社，2007.

机器人设计范文第2篇

摘要：针对冰壶运动在群众中认知度底、相关理论研究滞后等问题，设计了易于搭建、富有研究性的冰壶机器人。首先对机器人运动学进行了建模，研究了冰壶机器人位置正、反解算法，分析了冰壶间的碰撞关系。利用Sysmac平台搭建了冰壶机器人运动控制系统，研究了运动控制程序及击打策略，通过3D仿真环境测试了设计的可行性，为进一步研究智能算法奠定了基础。

关键词：冰壶机器人；Sysmac；运动控制；3D仿真

0引言

冰壶运动起源于苏格兰，是一项技巧、智慧、个人和团体相结合、策略性较强的运动，距今已有500多年的历史。我国开展这项活动的时间不长，但是近二十年时间取得了不少优异的成绩，2022年北京冬奥会为这项运动的进一步发展提供了良好的契机[1]。但是，还存在群众认知度低、后备人才短缺、基础建设落后等问题，人才的短缺是最紧迫的问题。为了一定程度上解决人才缺乏、社会认知度低、科学研究缺乏等问题，设计了一种基于Sysmac控制平台的冰壶机器人，首先对冰壶机器人进行了动力学分析，初步研究了冰壶机器人控制程序及算法策略，最后进行了算法仿真调试，为进一步实现人机对战、机机对战做好前期工作。

1冰壶机器人运动学分析

1.1位置的正、反解

冰壶又称为冰球，以最终场上冰球与圆心的距离远近来计算分数高低，十分讲究策略和智慧。本冰壶机器人平台为了方便研究算法设计了一个如图1的简化的平台，冰壶用模拟的圆柱体小球替代，对弈双方可以是人-机，或者机-机，双方根据视觉传感器返回的小球的位置采用不同的策略进行对战。如果要控制机械手运动，需要分析其运动学正解、反解。

1.2冰壶碰撞分析

冰壶击打时两球之间、球与球场之间会存在碰撞、反弹等物理运动，需要进一步分析。其中碰撞有完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞和弹性碰撞三种，这里将模型简化，默认冰壶之间的碰撞遵守动量守恒定律，则只存在完全弹性碰撞。如图3所示，球111O(x,y)速度为V，质量为m1，球222O(x,y)速度为U，质量为m2，半径均为r。在t时刻两球碰撞，设两球球心连线O1O2为tx轴，过两球切点且垂直于tx轴的为ty轴，碰撞后球O1速度为V'，球O2速度为'U。

2Sysmac控制平台设计

2.1Sysmac控制平台简介

Sysmac控制平台是欧姆龙公司新一代集运动控制、逻辑编译、视觉分析为一体的自动化设计平台，具有高速度、高精度和高可靠性等特点[4]。该平台关注于自动化设备的一体化连接性能，由四部分组成，分别是集成顺序逻辑、运动控制和网络通信功能的机械自动化控制器NJ，整合运动、序列、驱动和视觉传感、编程和仿真的Sysmac studio软件，实现运动、视觉等信号高速传输的网络控制器EtherCAT，和可对整条生产线或者智能工厂实现控制协议的工业开放式网络EtherNet/IP。

2.2运动轴组的建立

冰壶机器人通过左右两个伺服电机来控制前端的平动盘沿着X-Y平面运动，这里采用Sysmac studio软件来实现伺服轴的配置。首先在运动控制设置里添加两根并联的伺服运动轴MC_Axis000和MC_Axis001，分别为机器人的左右电机，然后如图5所示，分别进行基本参数设置、单位换算设置、轴操作设置等，最后将它们配置成的一个轴组MC_Group000。

2.3FB模块设计

Sysmac平台使用一个Sysmac studio软件即可对整个机械系统进行一体化编程，该软件基于国际IEC61131-3标准，提供了包含程序、功能和功能块的POU编程环境。不同于以往的梯形图编程环境，这种丰富的编程方式可以使程序更加条理化、易读易维护化，由于冰壶机器人需要输入的参数比较多，设计了如图6所示的FB功能块，通过集成化的功能块实现多数据输入、多数据输出，仅需一个软元件即可启动程序。通过该FB可对冰壶机器人控制系统的球的参数、球的位置、场地环境等进行设置，同时输出目标位置和初速度等关键信息。

2.4仿真环境搭建

Sysmac studio提供了完善的程序调试和仿真功能，支持运动模拟仿真，可以以2D或3D形式显示跟踪的数据和设备运动的轨迹。如图7在“数据跟踪设置--右键添加--单击数据跟踪”即可添加一个数据项目。如图8所示即可进行跟踪类型、采样间隔、后触发速度比率、触发条件等设置，点击加载3D模型可以加载冰壶机器人3D模型，而冰壶机器人可以简化为一个正交机械手，之后进行运动仿真可以观察各轴运动数据和仿真图像。

3冰壶机器人程序设计及调试

3.1运动控制程序设计

冰壶机器人的控制程序主要是对Sysmac stduio中配置的两个轴进行运动控制，利用内置的运动控制模块MC（Motion Control Function Module）以及梯形图与ST语言相结合的方式实现[5]。首先使用MC_Power指令对各轴进行伺服锁定，接着使用MC_Home指令将各轴回原点，最后启用轴组指令MC_GroupEnable将MC_Group000设置为有效。冰壶机器人两轴组成的轴组可以调用内置的直线插补指令MC_MoveLinear来实现平面坐标的位移，只需要输入轴组、位置、速度、加速度等变量，其中位置、速度加速度参数可以由自编的ST算法语言计算得出。

3.2球场局势检测

冰壶机器人需要对场上敌我双方球的数量和位置实时检测，通常的做法是采用视觉传感器捕捉场内小球的球心坐标，本系统由于先期采用模拟仿真的方式开发，故而场上的球均用系统内部的虚拟运动轴组来替代，通过输入相关坐标信息来仿真实际环境，验证击球算法。这里假设本方球最多有四个，对方最多也是四个，通过检测球的X，Y坐标值是否在球场内可以判断场上是否有球，再统计场上本方和对方球的数量和位置可以进行球场局势的判断，为下一步击打策略的实施做好数据统计。

3.3击打策略的分析

经过场上局势检测，获得本方和对方球数量及位置分布数据，冰壶机器人需要采取不同的策略进行击打。如图9所示，场上如果是有无球状态，机器人可以直接击打至靶心占据分数最高位置，取得先发优势。如果场上只有一个对方球，可以直接将对方球击打远离靶心，本方球取代其位置，亦可取得领先。如果场上存在本方球和对方球各一个，若发球到靶心间无遮挡，则可以直接击打至靶心，否则判断本方球是否离靶心更近，若本方球近则只需击打一个半径大小的力即可，若对方更近则采用策略二方式或者策略四将本方球击打至靶心。

3.4仿真调试

冰壶机器人控制系统搭建完毕即可输入相关参数进行测试，通过不同的本方和对方球数量和位置可以验证算法的可行性及击打效果。这里选取本方球坐标为[108,360]，对方球坐标为[-155,480]，发球位置为[180,0]，如图10所示，系统启动并且开启仿真调试后，系统判断对方球离靶心近，但是通往靶心的路径又被本方球阻挡，则采取策略二的方式把对方球打远。

4总结

本文分析了冰壶机器人运动学正解、反解以及碰撞的物理特性，建立了相关模型，基于先进的综合性Sysmac平台，利用Sysmac studio设计了运动控制模块，搭建了3D仿真仿真平台。在仿真环境中研究了冰壶机器人控制算法，规划了几种击打策略，为下一步研究智能控制算法奠定了基础。

参考文献：

[1]李保玲,朱志强.我国冰壶运动国际竞争力的现状与对策研究[J].哈尔滨体育学院学报,2016,34(03):17-22.

[2]史金良,徐世许,吴琳婧.并联机械手控制系统设计[J].工业控制计算机,2014(10):46-47.

[3]孙涛,方漪.五杆并联机器人运动轨迹插补计算[J].青岛大学学报(自然科学版),2010,23(04):65-68.

[4]郑昌俊.基于Sysmac自动化平台的超大型剪板机数字控制系统研究与设计[D].江苏大学,2016.

机器人设计范文第3篇

市场上有很多廉价的数码摄像机可以用于创建一个简单的诗句系统。它们简单，小巧，轻便，可以拍出供计算机捕捉和处理的图像。实际上，许多带有软件的摄像机就可以捕捉并数字化图像。标准的VHS摄像机可以和诸如snappy之类的产品联合使用，使得大家可以在自已的计算机上实现对图像的数字化和储存。还可以使用标准的数码摄像机捕捉图像，然后下载到自己的计算机上，在这种情况下，虽然可以捕捉图像供今后使用，但是由于还需要进行附加的诸如下载到计算机上这些步骤，所以图像还不能立刻使用。

有许多简单的软件，例如Adobe Photoshop，包含了一些类似于在本章中讨论过的方法的代码。其他程序可以由通过的计算机编程语言如C语言来开发。最终可以得到一个具备一定视觉能力，用于处理相关视觉任务的简单视觉系统。这一开发成果可以独立完成，也可以和一个3轴机器人联合完成，其中包含了用于识别和抓取物体，开发移动机器人和建立类似的其他设备的程序。

1 图像采样

1.1 信号的傅里叶变换及其频谱

图像采样理论，数码摄像机对图像的采集涉及到一系列的物理光学技术和电子信号技术，其中有两个重要概念关系到机器人视觉系统开发程序的编写。一个是信号的傅里叶变换及其频谱，我们知道任何周期性的信号都可以分解成一系列不同幅值与频率的正弦波和余弦波。

如果把这些正弦波和余弦波重新叠加在一起，就相当于重构了原始信号。称做傅里叶级数，式中不同频率的集合称作信号的频率含量或者是频谱。当然，信号是在时域表示的，而频谱却是在频域内来表示的。图1表示的信号是，而且给出了频谱图。显然，当函数f（t）中包含的频率成分增加时，其和越逼近于一个方波函数，也就是数字信号。

图1 且有一系列频率的正弦函数的域和频域图，当频率数量增加时，信号越接近于方波

从理论上说，要用正弦波重构一个方波，需要无限多个正弦波进行叠加。由于方波函数包含突然的变化，这意味着快速的变化（例如刺激，脉冲，方波或者其他与之类似或者由它们衍生出来的信号）都包含着大量的频率成分。变化得越快，重构它所需要的频率成分就越多。因此，所有包含急速变化（例如噪声，高对比度，一个脉冲或一个阶跃函数）或含有细节信息（例如快速多变化的高清晰度图像）的视频（或其他类型）信号的频谱中都将包含大量的频率成分。

1.2 空域操作：卷积掩模

另一个是空域操作，卷积掩模。空域处理过程可以对包含在单个像素中的信息进行操作。相应地，图像直接接受这种操作的影响。视觉系统的多数据处理过程都是在空域上进行的，其中最流行也是最常用的一种技术就是卷积掩模。这一技术可以用在不同的工作中，如滤波，边缘检测，成像术等。接下来先介绍卷积掩模的基本原理。

假设一幅由像素组成的图像，其中每一个像素都包含了灰度或者是彩色的信息。这些信息组合在一起就构成了整幅图像。假设灰度等级并没有数字化为0和1，而是保持为模拟量。举例说明，图2中的图像是一幅大图像中的一部分，其中像素值分别以符号A、B、C...来表示。并且假定有一33的掩模，以、…来表示其个各单元的值。将掩模应用到图像上。

首先把它叠加到图像的左上角，把像素值和其对应的掩模单元格中的数值相乘之后再相加，然后除以一个基准值。就可以得到X值。

S是基准值，如果总和为0，就令S=1。

图2 叠加在图像上的卷积掩模能逐个改变图像中的像素值。其中一步包括：将掩模的单元叠加在相应的像素上并将像素值与掩模单元值相乘并相加，再将归一化结果代替操作域的中心值。掩模逐个改变像素，操作一直重复直到过程结束

用计算的结果X代替参与叠加的像素块正中心像素处原有的值，这里也就是用X代替F值（X）为了不改变原有的文件，通常新建一个文件来进行这一替换过程。然后掩模右移一格，同样地进行一系列的计算，产生一个新的X值来取代G。

接下来，再次移动一个像素的距离并重复这一操作，直到本行中所有的像素上的数值都都发生了变化为止。然后在接下来的一行中进行相似的操作直到整幅图像中所有的点都发生变化。这样操作得到的图像会或多或少地显示出一些另外的特征，其变化的程度依赖于掩模的M值大小。开始和结束的行列无法进行类似操作，通常加以忽略。某些系统在这些行和列中都插入0。

对于一幅有R行C列像素的图像I（R，C）和一个有n行n列的掩模M（n，n），新的图像像素值可以用如下方程进行计算。

当和不为零时S=1

要注意的是比例因子S是随机的，它用于防止图像的饱和。因此用户可以通过S的值来获取没有饱和的最佳图像。

2.立体成像

由于图像是通过理想透镜把一个场景投射到成像平面上获得的，因此图像上每一个点都对应于实际场景中的一个点。然而，这些点到成像平面的距离信息在投射过程中已经丢失，并且无法从单一的场景中重新获得。如果对同一场景生成了两幅图像，那么可以通过比较两幅图像来提取图像平面上不同点的相对深度信息，其差异表示了不同点间的空间关系。人类通过自动合并两幅图像来形成三维图像。深度测量所用到的立体图像实际上可以认为是2.5维图像，而形成真正的三维图像则需要大量的图像。

立体图像的深度测量通常需要两步：

2.1 确定两幅图像中对应于场景中同一个点的一对点，这称做点对的对应或者视差。这一操作不易进行，因为场景中的某个点可能在另一幅图像中不可见，并且视角失真会使两幅图像中元素的大小和空间关系发生改变。

2.2 利用三角测量或者其他技术来确定物体或图像中的点的深度和位置。

一般来说，如果两个摄像机（或者是在静态场景拍摄时处于不同位置的同一摄像机）能够精确校准，那么只要能够获取足够多的对应点，使用三角测量便是相对简单的方法。

立体成像中深度测量的精度主要依赖于两幅图像之间所有的角度，也就是它们之间的视差。但是视差越大，要求搜索的范围就越大。为了提高精度和减少计算时间，可以使用同一场景的多幅图像。

大家也可以利用其他的处理图像的编程语言和系统（其中包括Excel，LabView等）来开发自己的简单视觉系统。

参考文献

[1]Seed B.Niku 著 机器人学导论-分析、系统及应用 北京：电子工业出版社，2004.1.

[2]徐德 邹伟.室内移动式服务机器人的感知、定位与控制[M].北京：科学出版社，2008.

[3]李朱峰.Linux2.6嵌入式系统开发与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

机器人设计范文第4篇

【关键词】AT89S51 避障机器人 传感器 舵机

1 引言

机器人作为一种智能机器，越来越多的替代了人类在极端环境下作业，比如：核辐射地区，深海探测，深空探索，以及高空作业等。为了防止机器人在作业中因碰撞等因素损坏，因此智能机器人的避障功能显得尤为重要。

传统的超声避障机器人大多是采用多路超声波传感器来采集障碍物的距离参数，这种设计的最大缺点即是多路超声波传感器之间会有干扰；而后，较好的避障机器人采用了一路超声传感器安装在具有360度转角的舵机之上，这样随着舵机的旋转一路超声波传感器就能采集到周围360度障碍物的距离，然而这种设计也有其缺点既是采集一次周围障碍物的距离信息所需的时间过长。因此，本文提出了一种新的智能避障机器人的设计，它采用了一路超声波传感器和一路红外传感器背对着安装在即使使用仅仅具有180度转角的舵机上，仍然可以在舵机转过半周时采集到周围的障碍物距离，反应速度提高了一倍。

2 避障机器人硬件设计

本文提供的智能避障机器人的硬件设计（如图1所示）包括了上位机接口模块、电源管理模块、红外探测模块、超声波检测模块、传感器舵机驱动模块、电机驱动模块、以及电机舵机驱动模块等电路组成。其中，红外探测模块由红外发射电路和红外接收电路组成；传感器舵机驱动模块主要驱动舵机带动红外传感器和超声波传感器一起转动；电机驱动模块主要通过单片机发来的PWM波改变直流电动机的转速，以此来控制机器人行进的速度；电机舵机驱动模块可以通过调整舵机的角度来达到改变机器人行进方向的目的。

3 避障机器人软件设计

本设计主要采用了模块化的编程方法，将硬件的每一个功能驱动都作为一个子函数的形式出现，主函数通过调用子函数来实现机器人的具体动作，这样就能极大的提高编程的效率，如图2所示。主要思路与步骤如下：

（1）上电及系统各模块初始化程序：初始化时钟以及引脚的驱动信号。

（2）开启定时器使能，并等待中断发生。

（3）若产生中断则进入中断子程序：

a. 调用传感器舵机驱动子程序，使得传感器舵机转动；

b. 通过AD采集超声波和红外传感器所得到的距离信息；

c. 通过自适应算法分析是否转向并通过串口向上位机传回距离信息，并能保存和显示该信息。

d. 若转向，则通过PID算法减慢机器人行进的速度，并调节直流电机的舵机转角，使得机器人改变进行的方向，结束中断程序等待下一次中断。

e. 若不转向，则通过PID算法加速机器人行进的速度，并结束中断程序等待下一次中断。

4 结论

本文介绍了一种以AT89S51单片机为主控芯片的智能避障机器人的设计，采用了两种互不干扰的传感器采集距离信息――一种是超声波传感器，一种是红外发射与接收器，通过增量式PID算法进行调速并通过遗传算法进行机器人角度调节来达到避障的目的。

这种设计采用的电子元器件价格相对便宜较容易推广，采用不相干信号采集距离信息提高了智能避障机器人的反应速度，使用自适应算法使得机器人对环境的适应性大大增强并实现安全避障。

参考文献

[1]曾军，吴长雷，李东，黄华等.基于C8051F430的超声避障机器人设计[J].微计算机信息（嵌入式与soc），2009（25）.

[2]徐跃.基于超声波测距的机器人定位与避障[D]. 齐鲁工业大学，2013.

[3]刘世聪.机器人避障算法研究[D].东北石油大学，2011.

[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、 提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009（01）.

机器人设计范文第5篇

Abstract： In order to make the soccer robot don't have to circumvent the other players and the ball will be start transfer to my teammates， the model of the mechanics is set up， and the Oblique function is used in Pro/E， at the same time， analysis the speed，acceleration and displacement of the pick point， the dynamics model need to carry the further analysis， the best initial angle has been proved. Through the software analysis and combining the data experiment show that the pick performance of the robot is greatly improved while the results are applied into the robot's design.

关键词： 机器人；RoboCup；挑球机构；Pro/E

Key words： robot；RoboCup；pick the ball mechanism；Pro/E

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0160-02

0 引言

随着科学技术的发展，机器人也开始向智能化发展，机器人足球问题已经成为当前机器人学、人工智能和计算机控制领域研究的热点问题。Robocup中型组足球机器人系统是典型的多智能体系统（Multi agent System）[1-2]。每对的两个机器人通过彼此间的相互合作来完成给定的任务。机器人的整个工作环境是一个动态变化的，而且在场的各个机器人的动作是不可预测的，这就要求机器人球员不仅能准确的控球，而且还要求机器人球员能够准确传球。这对移动机器人来说，必须保证其自身具有良好地稳定性、高清的图像处理能力、先进的传感技术和人工智能系统。许多球队一直致力于对机器人整体性能的研究，以便为提高算法和策略的有效性提供一个理性的执行体。

国内很多高校都一直致力于对足球机器人的研究，以中型组为例，我校的研究成果比较突出。本文介绍一种典型的中型组机器人机构的设计思路和方法。

1 现有技术的研究

1.1 根据挑球方式的不同，可分为以下两种方式：①低点击球。在击球过程中，应将击球杆的位置与球的底面相接触，这样做一方面有利于球能够沿着弧线轨迹运行跨过障碍物，另一方面也能够保证在挑球的过程中系统的能量损失是最小的。目前世界冠军组卡内基梅隆大学采用的就是低点击球方法，但是它对挑球电磁铁的型号、规格等都有很高的要求，否则在有限的空间内很难将其放入车体中。②杠杆式击球。利用杠杆平衡的原理将球挑起。系统的动力源由电磁铁提供。选择一个合适的点作为杠杆和球的支点，这个点必须对挑球出射角度、挑球最大高度和挑球最远距离都有严格要求。目前中国科学技术大学、东北大学、浙江大学等学校都采用这种方法挑球，效果比较明显，但由于空间的局限性，对机构的整体设计是一大挑战。

1.2 根据驱动方式的不同，可分为以下三种方法：

①弹簧蓄能型。由于储能速度慢，所需要的空间较大，难以适应比赛的要求，所以各队几乎都不再使用[3-6]。

②储气瓶型。随着比赛时间的进行，使气体消耗从而导致出力不足，同时影响比赛的进程，所占据的空间也比较大，所以各队也很少使用。

③电磁铁驱动型。在击球过程中能量基本是恒定的，而且操作方便，所需空间小，所以被绝大多数球队所采用。

2 挑球机构的受力分析

挑球机构动力学模型如图1。

挑球动力学方程：

mvx1-mvx0=Ix （1）

mvy1-mvy0=Iy （2）

假设挑球的高度是h，挑球距离是s，根据公式

vy=■ vx=vy/tgα vy=gt s=vx.t′ （3）

其中t′=2t

可以得到：

v■=■■ （4）

于是总动量：

I=mv=■=■=■ （5）

根据动量守恒定理得：

Ft=I （6）

在运动中考虑到机械损失，需要选取一个机械效率系数η，从而计算出电磁铁的吸力应为：

F=I/tη （7）

综合上式，求出挑球时的最佳初始角：

α=arctgv■/v■=arctg■ （8）

从上式可以看出，挑起初始角与电磁铁的吸力F、挑球距离S以及球自身的质量和机械效率系数有关系。因此，挑球机构的设计与挑球点的位置有着紧密的联系。只有在合适的挑球点位置时电磁铁才会作用，否则，电磁铁一直处于等待状态，要不然挑球动作就不会达到预期的效果，可能因频繁出力而浪费了进攻的机会[7]。

3 挑球机构原理及优化设计

3.1 挑球机构的原理 在足球比赛中，击球和挑球机构性能的好坏直接影响比赛的成绩。现对挑球机构采用电磁铁驱动的方式，设计方案如图2所示，此方案改变了传统的击球和挑球机构相互独立的现象，使整体结构紧凑，操作方便，运行相对更加的平稳。并且能通过放电时间来控制球运动时的速度。因此，可以使挑球机构来实现不同力度的传球或直接挑球射门。

3.2 机构的优化设计 通过对挑球机构的建模和动力学分析，确定目标函数

max F（X）=■■ （9）

约束条件：

初始角40≤α≤90；

挑球高度与球接触点的高度0m≤H≤0.005m；

电磁铁作用时间0.02s≤t≤0.5s。

图3得出的是挑球机构的速度、加速度、位移的理想曲线，由于整个构件都是一体的，最后的速度加速度都跟电磁继电器一样，在最后一击的速度加速度最大。

4 结论

足球机器人正向着一个智能化的时代迈进，通过对挑球机构模型的建立，分析出挑球方式、挑球初始角和挑球距离之间的关系。通过对挑球机构的设计，选取适当的目标函数，在Pro/E中对挑球点的速度、加速度和位移等参数分析，并绘制了速度、加速度和位移随时间变化的曲线图。最后通过机构的优化，在挑球机构中又增设了击球机构，这样使整个系统的结构比较紧凑，操作比较方便，但是在球被挑起的过程中与击球机构的碰撞问题还需要做进一步的研究，这是今后研究的一个主要方向。

参考文献：

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