竞技型投篮机器人结构设计.docx
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竞技型投篮机器人结构设计
竞技型投篮机器人结构设计
题目竞技型投篮机器人结构设计学院名称机械工程学院指导教师
职称教授班级机械0学号
学生姓名
第一章绪论
1.1课题背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1.1机器人的发展特点及发展前景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.2竞赛规则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.2.1规则介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.2.2场地介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
1.2.3注意事项„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
1.3方案简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
1.3.1总体方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
1.3.2自动机器人的技术要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
1.3.3自动机器人的初步设想„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10第二章机械结构设计
2.1行走机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
2.2定位机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
2.3投篮机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
2.4机器人主体„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
2.5电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
2.5.1驱动轮电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
2.5.2传送带驱动电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19第三章电器设备
3.1电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20
3.2电机及驱动器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20
3.3数字罗盘„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22
3.4操作步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
3.5单片机电路板„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
3.689C51单片机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25
3.7计数器/定时器8253简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29
第四章英文翻译
4.1原文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
4.2译文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„44参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„45谢辞„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46
一（绪论
1.课题背景
为了加强全国大、中、小学校学生自主创新能力，锻炼学生的动手能力，所以在全国范围内举行“全国大学生机器人电视大赛”。
本次设计是根据“全国大学生机器人电视大赛”中竞技型投篮机器人的设计与制作要求进行设计，但因各种原因约束本次仅进行外围自动机器人的机械、电路和控制的设计。
2.机器人的发展及特点及发展前景
机器人虽然已经有几十年的发展历史，然而，迄今为止，它还没有一个严格的、为人们所公认的定义。
但实际上，人们所关心的是机器人作为一种实用的操作系统的特性和适用范围，至于如何给它下一个严格的、精确的定义，似乎是个较为次要的问题。
一般说来，机器人是指在人的操纵下能够在人难以接近的环境中完成比较复杂的、精细的操作的一种远距离操作系统。
当然，这里所谓的“机器人”只是指它具有人类的一部分操作功能及与操作有关的某些其它功能而言，并不意味着它的全部功能及至形状都与人相似。
事实上，迄今所有的机器人，除了与操作有关的某些功能以外，其它方面均与人相差甚远。
在机器人中，人（操作者）是不可缺少的重要组成部分，在用这种装置完成一项操作任务的整个过程中，自始至终都必须有人的参加。
同时，人通过观察系统对从动部件的工作情况及其周围环境保持直接或间接的视觉监视，从而能充分的依靠人的感觉和智力及时做出判断和决策，以适应工作对象或其周围环境的变化，随机应变地完成那些较为复杂的、或者事先难以预料的操作任务。
目前，机器人已经越来越多、越来越广泛地应用于生产生活的各个方面。
金字塔探密，机器人功不可没。
美国攻打伊拉克，机器人也发挥了重要作用。
中国神州五号的成功发射，充分显示了我国在机器人某个领域的实力。
揭发大海深处的秘密、拍摄海底沉船的图片，这些对于人内很难完成的任务也要靠机器人来完成。
所以发展一个国家的机器人水平将直接影响到这个国家科技的发展水平，是一项非常急切的任务。
对于现阶段的中国，要成为世界强国。
必须大力发展工业现代化、智能化。
针对目前我国现阶段落后的工业和匮乏的高尖人才的情况，大力发展自动机器人就成了我国现阶段科技发展的当务之急。
机器人技术不但能提
高我国的工业生产水平，而且还能极大的增强国家的军事实力，为祖国的早日统一，提高人民的物质生活水平提供技术保证。
所以大力发展机器人科技必然成为我国现阶段的当务之急。
3.竞赛规则
登长城，点圣火
长城是中国也是世界上修建时间最长、工程量最大的一项古代防御工程。
它既是具有丰富文化内涵的文化遗产，又是独具特色的自然景观。
国内外游人常以“不到长城非好汉”的诗句来表达一定要亲自登上长城饱览中华悠久文明和壮丽山河的心情。
让我们登上长城的烽火台，点燃圣火吧。
本届大赛的意图是通过手动和自动机器人协作，登长城并向5个火炬和4堆篝火添加燃料得分，比赛时间为3分钟。
1比赛场地
比赛场地为14000mm×14000mm的正方形区域。
赛场地面用2mm厚的聚乙烯片铺设。
聚乙烯片将用无光泽的聚乙烯带连接。
比赛场地周围有100mm高30mm厚的木质围栏。
比赛场地由“手动区”、“篝火区”和“自动区”（包括烽火台）组成。
每个区域的细节参见所附的赛场布局图。
自动区
a.范围:
9000mm×9000mm的方形区域。
b.四周有100mm高、30mm厚的木质围栏。
c.只有自动机器人可在自动区运行。
自动区贴有30mm宽的白色引导线。
d.每个队的自动机器人启动区大小为1000mm×1000mm，位于自动区边上，两队的启动区相对配置。
e.自动区正中有一个八边形烽火台，高度100mm，它的四条边长为2000mm，另四条边长为1414mm。
在两条2000mm的边与自动区地面之间有坡度为1/5的斜面。
f.自动区中有5个火炬。
高度为1800mm的主火炬位于场地正中。
另4个高度为1500mm的外围火炬在它的四周。
如图1.1，图1.2
图1.1中心主火炬
图1.2外围火炬
g.火炬为上大下小的透明开口圆桶，装在火炬柱上。
主火炬用红、蓝、绿色的
隔板均分为三部分，每一部分是一个燃料筒。
每个外围火炬用红、蓝色隔板均分为两个燃料筒。
主火炬在受外力作用时可绕火炬柱旋转。
外围火炬不能转动。
如图1.3。
图1.3主火炬转动结构
h.自动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图1.4
图1.4竞赛场地俯视图
篝火区
四个直径为1200mm的篝火区位于自动区的四角。
篝火区中央有直径600mm、高100mm的燃料盘，盘边宽50mm，盘深30mm。
燃料盘与地面以350mm宽的斜面相连。
篝火区的细节参见所附的场地布局平面图1.5。
图1.5竞赛场地3D图
手动区
a.手动区在自动区和篝火区周围。
b.手动区左、右两边相对配置两队的球库。
每个球库可放16个燃料球。
c.手动机器人启动区是1000mm×1000mm的方形区域，位于手动区上、下两边的正中。
两队的启动区相对配置。
d.手动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图。
2参赛队成员
每个参赛队由来自同一所大学或工学院的4名成员组成，3名学生和l名指导老师。
只有3名学生可以进入赛场。
参赛队成员在参加比赛时必须是在大学/工学院注册的。
研究生没有参赛资格。
3机器人
每个参赛队必须设计和制作手动机器人或自动机器人，也可以同时制作手动
机器人和自动机器人，对机器人的数量没有限制，但每队只允许有一台手动机器人。
手动机器人
a.手动机器人必须通过电缆连接的遥控器或红外、可见光、声波遥控器操作。
不允许用射频。
操作者不能骑在机器人上。
b.通过电缆操作时，电缆在机器人上的连接点至少应高出地面1000mm，同时，从手动机器人到控制盒的电缆长度不能超过3000mm。
c.比赛一旦开始，参赛队员不能接触手动机器人。
自动机器人
a.自动机器人必须是自主的。
b.由一台自动机器人分离出来的每一件物品均被认为是另一台自动机器人，所以，它必须能像自动机器人一样工作。
c.比赛开始前，每个队的所有自动机器人总共可预装16个燃料球。
d.每台自动机器人必须一次操作启动。
e.自动机器人可以进入除篝火区以外的任何区域，但不能伸到篝火区上方。
f.比赛开始后，所有自动机器人可以逐个启动，但启动动作必须在20秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。
在规定时间内没有启动的自动机器人将被留在启动区内。
g.一旦机器人启动，参赛队员不能接触机器人。
h.自动机器人不允许以任何方式相互通信。
控制方法
a.每队只有一个操作者可以在赛场上操纵手动机器人。
b.对于自动机器人，每场比赛每队允许一次“重试”。
某队叫“重试”且裁判允许后，该队的所有队员均可在启动区重新设置和启动本队的任何自动机器人。
但是，所有“重试”的动作必须在20秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。
只有在启动自动机器人和一次“重试”时，自动机器人的操作者才能进入赛场。
能源
a.比赛期间各队应为自己的所有机器人准备能源。
b.机器人的电源电压必须低于24VDC。
c.不允许使用组委会认为危险和不适当的能源。
重量
a.每个队上场的所有机器人的总重不得超过50kg。
b.总重包括能源、电缆、遥控器和机器人其它部件的重量。
尺寸
a.自动机器人的总尺寸必须能纳入启动区1000mm×1000mm×1500mm的范
围內。
b.自动机器人离开启动区后可以分离，尺寸可以自由改变，但高度不能超过2000mm。
c.手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区1000mm×1000mm×1500mm的范
围內。
d.离开启动区后，手动机器人的尺寸可以自由改变，但高度必须在1500mm以内，且不能分离。
4物品（燃料球）
燃料球为直径150mm、重量约150g的胶质小篮球。
球内的气压是要控制的，使它的弹性较差。
球从1m高处落下时的反弹高度不应超过150mm50mm。
两队分别使用红色和蓝色的球。
5比赛
赛制
初赛为小组单循环赛，1/8、1/4复赛、半决赛、决赛为淘汰赛。
比赛持续时间
a.比赛将持续3分钟。
但是，如果某队
在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
并且，在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球，
该队即实现“登上长城”，比赛将立即结束。
b.机器人的设置必须在接到设置命令l分钟之内完成。
记分
a.比赛结束时记分。
b.能留在火炬燃料筒或篝火燃料盘内的燃料球（燃料球不得与机器人接触）可以记分。
记分规则如下:
l主火炬燃料筒中的一个燃料球记5分。
l外围炬燃料筒中的一个燃料球记1分。
l燃料盘中的一个燃料球记1分。
c.主火炬的燃料筒必须由登上烽火台的自动机器人添加燃料球。
.
d.在绿色燃料筒和篝火燃料盘中，两队的燃料球分别记分。
e.如果某队将自己的燃料球投入对方的燃料筒，判对方得分。
确定获胜者
比赛的优胜者将根据下列情况确定。
a.“登上长城”的队赢得比赛。
b.在两队均未“登上长城”的情况下，将所有得分相加扣除犯规分，得分多的队获胜。
c.如果出现平局，比赛的获胜者将按以下顺序来决定。
在主火炬的自己的燃料筒和绿色燃料筒中均添加了燃料的队获胜。
在所有火炬中得分多的队获胜。
如果按上述顺序仍不能选定优胜者，将由裁判确定。
6犯规及扣分
下述动作被视为犯规并每次扣除1分。
如某队被扣除了3分，该队将被取消资格。
手动机器人及其操作者接触手动区以外、自动区或篝火区的地面。
手动机器人将自己的部件伸入自动区或篝鹎戏健
手动机器人接触本队的自动机器人。
如果上述、、的犯规持续，每5秒钟将扣1分。
自动机器人试图向燃料盘添加燃料时将自己的部件伸入篝火区上方
7取消比赛资格
参赛队的下列行为会被裁判认定不合格，该队会被取消比赛资格。
企图损坏比赛场地、设施（包括燃料库中的燃料球）或对方的机器人。
手动机器人在任何区域内接触对方的自动机器人。
做出任何有悖公平竞争精神的动作。
8安全
制成的所有机器人均不能对操作者、观众和裁判造成伤害。
为了保证安全，如果使用激光束，必须低于2级激光，并以不伤害任何操作者、裁判和观众的方式使用。
9机器人制作和运输费用
制作费用
组委会给每个参赛大学提供人民币一万元作为机器人制作补助费。
运输费用
a.由组委会指定的运输公司负责运输机器人，具体细节将今后通知。
b.机器人必须包装，使之可放入一个尺寸为1500mm×1500mm×1500mm的板
条箱内。
10其它
对于本规则没有规定的行为，裁判有权做出裁决。
在有争议的情况下，裁判的裁决是最终裁决。
对规则的任何修改将由大赛组委会发布。
鼓励所有参赛队以其大学的标识装饰自己的机器人。
只允许自制的机器人参赛。
11奖励
奖项有冠军奖、亚军奖、季军奖（并列），还有最佳技术奖、最佳创意奖、最佳设计奖、最佳策略奖、最佳风格奖各一名。
组委会鼓励观众参与评出观众最喜爱奖。
12机器人设计与制作的注意事项
以下是制作机器人时应注意的几个问题。
在任何情况下，都要充分注意避免危险。
每个参赛队应避免机器人损坏比赛场地和设施，
作为大赛规则的正式补充资料，组委会将发布FAQ（常见问题）。
要求每个参赛大学准备一个5分钟的录像带，说明参赛队机器人的结构和运动。
机器人启运前，组委会将通过录像带检查每个参赛的机器人是否符合规则。
二（方案简介
1.总体方案
经过我们对场地以及对规则的了解，我们决定从外围的自动机器人入手，设计一个在自动区域的自动投篮机器人～主要的设计方案就是:
机器人自身携带5个直径150mm的圆形球体，通过小功率电机牵引滚筒，由传送带将篮球传送到1500mm的高度，再通过出口与篮筐的连接板进入篮筐而实现投篮，机器人自主的寻找篮筐，并实现精确定位，以保证投篮的准确性。
特别说明，传送篮球所用滚筒材料为硬质塑料，共有三个，从动滚筒与轴成间隙配合，工作时做滑动摩擦要求加工精度较高，主动滚筒与轴作过盈配合，没有滑动摩擦。
2.自动机器人技术要求
根据总体方案，对自动机器人提出以下要求:
.具有自主行走和定位能力;
.带6粒球，可两次投篮，主要目的投自动投篮区1500mm篮，必要时可
做改动协助投1800mm篮;
.为顺利的进行投篮且不违反规则机器人总高度不超过1700，并且不的
低于1500mm;
.考虑到总重量限制，重量应小于15kg;?
.结构简单，易于加工，易组装;
.与其他机器人的零件有一定的通用性，实现模块化;
.电源为12V，或24V;
.采用单片机控制，以便使机器人具有较强的灵活性。
3.自动机器人的初步设想
基于以上考虑，我们做了以下设想:
（为获得足够的刚度和较低的重量，以及良好的加工性能，我们选用铝
材作为主要加工材料;
（采用两电机分别驱动两主动轮，并以万向轮作辅助支撑的方式，从而使整个机器人行走灵活，并准确完成自转等战术动作。
（为降低机构的复杂程度，适当采用灵活的线传动。
（从精度，重量，以及物资情况等方面考虑，采用浙江鄞州微电机公司生产的RG50M775125000型直流减速电机。
在单片机控制下，采用步进模式可十分简便的实现较精确的位移和角度控制。
传送带的电机我们选用金坛市四海电机制造厂生产的42BYGH401型微型步进电机。
（整个自动机器人采用3个电机，其中两个为行走电机;一个负责驱动传送带实现投篮动作，机器人初始高度为1550mm50mm，不需要进行升降。
（为摆脱传统的循线定位方式对导引线的严重依赖，可考虑全新的传感器，如数字罗盘，红外传感器等。
经过分析，采用数字罗盘比较适应场地布局。
这样，通过数字罗盘反馈角度，计数器和光电码盘反馈位移，从而实现类似于极坐标的定位方式。
每次捕捉到标志盘，可以重新标定原点以减少累计误差。
（由于数字罗盘和机械结构引起的总误差可能太大，无法顺利完成投篮，可能需要一个专门的定位机构，在一定范围内纠正偏差。
三（机构设计
1.行走机构
在初期我们认为首先应该确定如何让我们的机器人能够自由的行走，于是我们首先进行行走机构的设计，设计过程中我们考虑了两种方案，如图2.1，刚开始我们采用左图的设计，是一种比较常规的方案，结构简单，转向灵活，只用两个万向轮，重量轻。
但加工上比较困难，还有一个致命性的缺陷，就是由于万向轮的轮径较小，当车体正前方与标志盘接触时或在行走过程中遇到稍大的障碍物是（经常出现这种情况），很容易导致车体被迫转向，以至使机器人无法在进行精确的定位，前者甚至会使整个机器人卡死。
图2.1驱动机构
后经改进，采用右图所示布局。
虽然增加了两个万向轮，但有效的避免了万向轮与标志盘的直接接触，而且加工装配十分简便，容易保持精度。
行走机构的控制精度对机器人能否完成成套动作起决定性的作用。
为保证精度和足够的刚度，设计了一套精度较高的加工件以实行运动从驱动电机到主动轮的传递。
为简化结构，降低重量，不采用齿轮等传动件，由于电机以步进模式工作，且功率较大，所以在速度和驱动力上都能满足要求。
驱动轴用两个球轴承通过轴承座与电机轴相连，可有效克服由于轴向和径向压力造成的各种阻力。
图2.2驱动系统结构图
2.定位机构
定位机构是非常重要的一个机构，它直接影响机器人投篮的精确性，定位机构的功能是纠正行走机构到达标志盘时的误差。
其机构非常简单，由3个限位开关，2个薄壁铝套，以及一些附属的支撑件，固定件组成。
整个定位机构装在机器人的正前方，其中三个，便于与标志盘接触，无论薄壁铝套上任何一点与标志盘接触，便可触发对应的限位开关;三个限位开关位于同一水平面，中限位开关距地面约480mm，如图2.6，当火炬主干与中限位开关接触的时候（即机器人已经成功找准篮筐），就同时出发中限位开关，立刻启动投篮驱动电机，开始投篮。
图2.3定位机构原理
如图所示，由于机器人全身机构对称分布，且万向轮阻力很小，机器人旋转中心大致在两主动轮轮轴连线的中点。
两弹性挡片与机器人正前方的夹角都为45度，且机器人旋转中心到两弹性挡片的距离都为50mm（标志盘的半径）。
当标志盘与左挡片接触时，如图，左限位开关被触发，此时标志盘的圆心一定在经过机器人旋转中心，且与机器人正前方偏左45度的直线上。
那么将机器人绕旋转中心逆时针旋转45度，便可使机器人正前方对准标志盘。
这时再让机器人缓慢前进，标志盘就会触发中限位开关，表明机器人的旋转中心已与篮筐正中心理论上重合，从而完成定位。
当标志盘与右挡片接触时也同理。
3.投篮机构
要实现投篮就必须将篮球送到1500mm高处，所以升降机构就成了必须要解决的问题，升降机构要求重量轻，机构简单（若出现问题可以在短时间内及时处理），行程长，截面尺寸小（防止与投篮机构空间干涉），所以我采用图2.4所示结构来实现投篮。
图2.4投篮机构
起初选用图2.5左边的方案，希望通过定滑轮利用细线的牵引力来使中间柱状机构上升来抬高篮球，并用几个滚筒来减小摩擦以及固定柱状机构，此结构优点是机构简单，易拆装，质量较小，但此方案中升降台太长细线又是从单方面牵引所以在行进过程中会向一方面倾斜，极易发生卡死现象。
后来将机构改为图2.5右图装置，右图机构也是利用定滑轮和细线来带动升降台上升，本次方案虽使升降台摆动的问题得到解决，但实际上我发现由于加工和装备精度的原因，反而使机构的阻力很大，爬行现象严重。
由于升降机构还要为投篮机构提供动力，所以很难满足要求。
另外支座将升降台整个围住，刚度必须较高，但重量增加了很多。
考虑到重量限制，我们放弃了以上两种方案，同时确定了最终的投篮机构，如图2.4
图2.5升降机构
此机构是利用皮带来传送篮球到达1500mm高度，上面挡板为薄铝合金板件，上下作成角度很大的弯曲形状，其上是在球到达出口后引导球向篮筐方向滚动，以免球从侧面掉下。
其下是为了防止预先放入的篮球从传送带下方掉下。
另外挡板的中间向外微微突出，一是为球的运动提供一个轨迹，二是防止球在上升的过程中由于互相摩擦而左右滚动。
此机构的优点除解决了上面提到的两种方案的机构问题外，它的机构也很简单，易拆装，质量轻，各零件的加工也很简单，并且该机构在安装的时候成倾斜状，球到出口后会由重力使球滚入篮筐，所以不需要另外再添加投篮机构，因此也简化了机构。
图2.6机器人3D造型
该投篮机构为皮带传送，一次可预先放入六个直径150mm的球体，有一个电机单方面转动牵引滚筒转动，带动皮带转动，当球被传到1500mm的出口的时候就会因为重力原因向前滚动，考虑到定位的误差，自身机构和赛场上篮筐高度的误差，我们在传送带末端的高度上装上了一个长约100mm，宽约120mm的一个薄板，当球被传到顶端的时候会因重力导致薄板转动，从而在球与篮筐间建立一个板件的连结，让球能通过薄板直接滚入篮筐中，这样就有效的解决了以上的误差问题。
4.机器人主体架
机器人的主体是不可缺少的部分，主体架用来固定所有的机构的地方，所
图2.7主架构造
以主架必须要具有足够的强度，它还必须支撑起所有机构的重量，但对于它本身却要结构简单，还有质量要轻，所以，我们选择空心铝材来作为主架的主要材料。
主要用焊接作为连接方法。
5.电机的选择
根据机器人竞赛的规则:
参赛所有机器人的总重量不超过50kg;
燃料球直径150mm，重约150g。
我们所是设计的机器人，可预先放入6个篮球总质量M=900g。
我们设计的机器人的重量设置为不大于15kg，由于场地中有不可预测的情况，计算时按质量为15kg;
场地中机器人所须牵引力为:
F=mgsinθ+μmgcosθ
机器人主动轮为硬质车轮与地面接触面积较小，且地面很为聚乙烯片铺设，根据资料，选择取μ=0.3g=9.8
由于机器人通过的地形为水平面，无坡度所以重力不用考虑，仅考虑摩擦力，因此F=
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