足球机器人带球机构的优化设计

摘要： 为了使足球机器人在运动时不必绕行对方球员而将球挑起传递给己方球员，根据所建的挑球机构模型，对挑球机构的动力学模型作详细的分析，并在Pro/E中采用斜函数法，对挑球点的速度、加速度、位移等参数进行分析，得出挑球时的最佳初始角度。通过软件分析与数据实验相结合，将该结论应用到足球机器人的设计中，使机器人的挑球性能大大提高。

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：

[1]李尚荣，李永新，孙刚等.RoboCup小型足球机器人结构设计与分析[J].机械与电子，2003，（5）：49-51.

[2]李永新，李尚荣，杜华生等.F2180足球机器人结构设计与仿真分析[J].机电工程，2003，20（6）：56-60.

[3]余凯平，李永新，陈世荣等.足球机器人几个主要机构的特性分析与设计[J].机械设计与制造，2007，（10）：157-159.

[4]陈沈融，李莉敏，朱红萍等.足球机器人挑球机构优化设计[J].机械工程及自动化，2009，（6）：77-81.

[5]程福，赵臣，王少岩等.RoboCup小型足球机器人踢球器的设计[J].机械与电子，2004，（3）：28-30.

[6]陈永琴，侯叶，杨小瑜等.小型机器人结构设计[J].液压与气动，2005，（1）：3-4.

[7]RUIZMS，WEITZENFELDA.Soccer dribbler design for the eagle knights RoboCup small size robot[C].//Proc Robotics Symposium， USA：IEEE，2006：34-40.