《工业控制计算机｝２０１０年第２３卷第２期 ９７ 中型组足球机器人挑球系统的设计 Ｂａｌｌ——ｐｉｃｋ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｅｄｉｕｍ——ｓｉｚｅｄ Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ｓｏｃｃｅｒ Ｒｏｂｏｔ 亓晓彬 黄永贤 （广州铁路职业技术学院机电工程系，广东广州５１０４３０） 摘 要 中型组机器人足球比赛系统是进行多智能体研究的理想实验平台。中型组足球机器人有自己的“头脑”和“手脚”，后者 就是它的挑球系统。设计了基于电磁原理的中型组足球机器人挑球系统，简化了系统设计，提高了系统性能，满足中型组足 球机器人的控制要求。 关键词：中型组足球机器人，多智能体，挑球系统 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｅｄｉｕｍ—ｓｉｚｅｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｓｏｃｃｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｆｔｉ—ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ．Ｍｅｄｉｕｍ— ｓｉｚｅｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｓｏｃｃｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｈｅａｄ ａｎｄ ｈａｎｄｓ，ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｂｅｉｎｇ ｉｔｓ ｔｈｅ ｂａｌｌ—ｐｉｃｋ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ—ｓｉｚｅｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ ｂａｌｌ—ｐｉｃｋ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ’ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｉｔｈ ａ ｖｉｅｗ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ—ｓｉｚｅｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｕｍ－ｓｉｚｅｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｓｏｃｃｅｒ，ｍｕＩｔｉ—ｉｎｔｅ川ｇｅｎｃｅ，ｂａｌｌ—ｐｉｃｋ ｓｙｓｔｅｍ 挑球系统使足球机器人能像人一样在比赛场上自如的传 球、射门，因此良好的挑球机构对于机器人足球比赛有着重要的 意义。目前挑球系统主要有以下几种方式：电磁铁挑球系统、弹 下，提供挑球动作的原动力。 １．３电磁铁输出力度的计算 螺管式电磁铁力度的近似计算公式： 簧储能挑球系统、气动挑球系统 其中电磁铁挑球系统以其容易 控制、动作频率高、反应速度快、机械结构简单可靠等优势正被 广泛采用。 １挑球机构的设计 Ｆ＝６．２８（ＩＴ） ｘｌ ＋【０旦（≠） ｌｘ１０－ ０ ０ Ｌ 』 其中，Ｆ一电磁铁的吸引力（单位Ｎ）； Ｉ一电磁线圈中的电流（单位Ａ）； Ｔ一电磁线圈的匝数； ｒ一衔铁等效半径（单位ｃｍ）； 挑球的工作过程：足球机器人运动控制系统接收到挑球命 令后控制电磁铁工作，电磁铁的移动衔铁产生平行拉力并作用 于挑球机构的杠杆，通过杠杆将足球挑飞；挑球完成后电磁铁停 止工作，复位弹簧将电磁铁的移动衔铁和挑球杠杆复位，以备下 次挑球。 ０ｏ－衔铁间的距离（单位ｃｍ）； Ｚ一衔铁插入线圈中的深度（单位ｃｍ）； Ｌ一电磁线圈的长度（单位ｃａ）。 ｇ＝ … １．１挑球机构的机械设计 目前踢球机构有击球和挑球两种。击球机构只能实现球场 ，其中Ｃ为电磁线圈的厚度（单位ｃｍ），ｄ为衔 二维平面的传球、射门等，而挑球机构突破了二维模式的限制， 使得足球机器人能让球直接在空中越过前方机器人而不必绕 行，增加了进攻的威力。纵观多年国内外中型组比赛，踢球机构 铁直径（单位ｃｍ）， 。为真空磁导率（空气中的磁导率近似等于 真空磁导率）， ０＝０．４ ×１０４Ｈ／ｃｍ。 将设计的电磁铁参数代人上式，可得衔铁间距离一定时电 磁铁的输出力度，如表１所示。 表１ 电磁铁输出力度与衔铁间距离的关系 Ｚ（ｃｍ） １０ ｌ０ １０ １０ １０ １０ 逐步采用挑球模式而且其设计呈现多样化。根据中型组机器人 足球比赛规则得出挑球系统的设计要求： １）ｔ＃ｌｓ球力度大，挑球距离大于５ｍ，挑球高度大于２ｍ； ２）挑球力度可调； ３）挑球机构简易可靠； ４）满足现有足球机器人 ａ （ｃｍ） Ｆ ） ６ ６７５５ ５ ６９１４ ４ ７２０５ ３ ７８３４ ２ ９６３Ｏ １ １９３３４ 的安装空间。 本文设计出“直立拉杆 式”电磁铁挑球机构，由机 ２挑球系统的电路设计 ２．１升压储能电路的设计 挑球系统在挑球瞬间需要给足球足够的动能，足球才能飞 得更高、更远、更快，这就要求挑球机构必须有储能装置，本设计 图１挑球系统机械结构 构电磁铁、杠杆、支点、复位 弹簧等组成，如图１所示。 １＿２挑球机构电磁铁的设计 采用电容组储能。电容储能公式： ＝去ｃ 。为了尽量提高电容 的储能，需要增大电容的容量Ｃ和升高电压Ｕ。大容量电容体 利用电磁铁将存储在电容中的电能转化成机械能，实现机 器人挑球动作。电磁铁由移动衔铁、电磁线圈、辅助衔铁、线圈框 积大，需要考虑在机器人上的安装空间。当要求电容储能能量一 定时，升高电压可以减小电容容量的要求。因此设计出充电电容 架、线圈铁外壳等组成。电磁线圈通电后产生的电磁力将衔铁吸 中型组足球机器人挑球系统的设计 组升压电路，如图２所示。其工作原理是将足球机器人２４Ｖ供 电电池电压通过升压电路变为４１０Ｖ直流电压，来给电容组充 电。 等优点，有利于机器人挑球力度的控制。电磁铁瞬时工作电流可 达５０Ａ、工作电压４１０Ｖ，因此控制电路采用工作电流１００Ａ。耐 压１０００Ｖ的大功率ＩＧＢＴ管做为电子开关。挑球力度控制电路 图４所示。 ●． 图４挑球力度控制电路图 ３图２电容组升压电路 实验 为了检测本挑球系统的性能好坏，做了连续挑球能力和挑 球范围等方面的测试。机器人连续挑球间隔小于４ｓ；挑球最高 升压电路工作原理：时基芯片５５５组成占空比可调的多态 振荡器，振荡信号经过信号驱动电路驱动ＭＯＳ功率管，控制变 压器的初级线圈导通截止，从而产生变化的磁场，变压器次级线 圈产生感应电压，经过快速恢复整流二极管整流后向电容组充 ３．５ｍ，最远７．６ｍ；且力度可调、操作简易。实验数据表明挑球系 统的衔铁间距越小，电磁铁输出力度越大，机器人挑球速度越 快。与电磁铁输出力度设计数据基本吻合。同时，因为具有专门 的挑球力度控制电路，使机器人可进行加速踢球或挑球。 ４结束语 电。同时采样输出电压，经过运算放大器组成的电压比较电路， 与设定电压比较，一旦达到设置值则关闭振荡器，停止升压。 通过调节多态振荡器输出信号的占空比，可以调节电容组 充电的时间。电容组电压从０Ｖ升到４１０Ｖ的充电时间小于８ｓ。 本文设计了基于电磁原理的中型组足球机器人的挑球系统， 其结构简单、工作可靠、操作方便，可进行挑球力度和速度等关键 物理量的在线调节，机器人的进攻能力得到较大幅度提高，整体 性能得到较大改善，满足中型组机器人足球比赛的控制需要。 参考文献 ［１］Ｌｅｅ Ｂ．Ｊ．，Ｐａｒｋ Ｇ．．Ｔ．Ｒｏｂ０｛ｉｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ：Ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９９ ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎ— 经过测试，在比赛过程中足球机器人一次最大力度的挑球动作， 只用不到一半的电容组总储能，所以足球机器人重复挑球时间 间隔小于４ｓ。 ２＿２挑球力度控制装置的设计 足球机器人能根据场上的形势，选择合适的力度挑球，这使 得足球机器人在传球、射门过程 中更具优势，更加智能化。所以设 计了挑球力度控制电路。 挑球力度控制系统结构图如 图３所示，电容组串联后给电磁 铁供电，通过控制开关ＳＷ的导 图３挑球力度控制系统结构图 通时间，即电磁铁的工作时问， ｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ（ＡＩＭ ９９），１９９９： ７３—７８，１ ９９９，９，Ａｔｌａｎｔａ．ＧＡ，ＵＳＡ ［２］谢云，杨宜民全自主机器人足球系统的研究综述［Ｊ］．机器人ＲＯＢＯ， ２００４，２６（５） ［３］海丹全向移动平台的设计与控制［Ｄ］．长沙：国防科技大学，２００５ ［４］ＲｏｂｏＣｕｐ：Ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔ Ｗｏｒｌｄ Ｃｕｐ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ［Ｊ］ｌｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ｒｏｂｏｃｕｐ．ｏｒｇ 来调节电磁铁的输出力度，从而调节挑球的力度。 开关ＳＷ选用电子开关。相对于机械式继电器开关，电子开 ［５］李永新ＲｏｂｏＣｕｐ小型组足球机器人结构设计与分析［Ｄ］．合肥：中 国科技大学，２００３ 关具有响应速度快、关断可靠、使用寿命长、故障率低、性能稳定 ［收稿Ｅｌ期：２００９．１０．１２］ （上接第９６页） 板的两倍，另外其采用内部擦除的方式，与普通黑板的擦除方式 相比，较好地保护了人体的健康。 参考文献 ［１］裘建新机械原理课程设计指导书［Ｍ］．高等教育出版社，２００６ 可以消除粉笔使用过程中大部分的粉尘， 隶属环保机械的一种。 此黑板共用两个马达（９Ｖ／２５０ｍＡ）， 马达一控制版面转动，马达二控制柱状板 擦转动；控制开关３个，开关一控制黑板 前进，开关二控制黑板后退，开关三是停 止按钮。 ４结束语 ［２］张伟华，陈良玉，孙志礼．机械基础实验教程［Ｍ］．高等教育出版社， ２００５ ［３］慧鱼工程技术实验手册［Ｋ］．北京中教仪科技有限公司，２ｏＯ７ ［４］ＲＯＢＯＰＲＯ中文软件手册［Ｋ］．北京中教仪科技有限公司，２００７ 自擦黑板与普通黑板相比，其预计成 本与普通黑板相当，但其容量却是普通黑 图３程序流程图 ［５］曲凌．慧鱼创意机器人设计与实践教程［Ｍ］．上海：上海交通大学出版 社，２００７ ［收稿日期：２００９．１０．１３］
