现如今, 机器人已经从原来的高端产品逐渐转变为每个人都能触手可得的科技。随着现在开发者逐渐低龄化, 在校研发机器人已经成为一种潮流。VEX机器人竞赛正是提供了这样一个竞赛平台, 集科学, 技术, 工程, 数学于一身, 通过参加竞赛的过程, 能够很好的培养学生对于机器人的兴趣, 锻炼学生的动手实践能力。根据2017-2018赛季“Inthezone” (步步为营) 的比赛规则为指导, 自主对机器人进行了搭建和编程, 设计了本文中的锥体堆叠机器人,
一、研究背景及意义
(一) STEM理念
STEM的全称为:Science (科学) 、Technology (技术) 、Engineering (工程) 、Mathematics (数学) 。科学所代表的是认识和解释自然界的客观规律;技术和工程所代表的是在尊重自然规律的基础上, 对世界进行改造、控制和利用自然界, 并且不断的去解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为一种基础工具, 用来协助技术与工程学科。因此, 通过STEM理念的建设, 能够培养学生的基本知识与技能以及对基本知识与技能的综合应用[1]。
(二) VEX机器人竞赛
VEX机器人竞赛是由卡耐基梅隆大学、美国太空总署 (NASA) 等机构大力支持的机器人项目。学生以及老师可以通过每年不同的比赛规则, 大胆发挥自己的创意, 用手中的工具和材料创作出属于自己的机器人。
二、机器人综述
机器人主体框架由L型、C型铝条和钢条拼接而成, 用螺丝、扎带、限位杯等使之更加牢固。传动装置利用32、84齿加强齿轮, 使用加强链条连接, 使其成为齿轮组, 齿轮间用通过高强度传动轴连接。轮胎使用4英寸双排万向轮, 并使用Potentionter, Quadrature Code等传感器, 使机器人能够按照规定的路线行走。使用7.2V3000mAhNiMH电池保证其动力。利用VEXnetKey2.0捆绑控制微操控结构, 通过C语言, 使用ROBOTC进行开发。采用电驱动三线393马达, 将马达内部齿轮组改为高速齿轮组建。
三、具体结构
(一) 底盘结构
采用链条式传动, 将四个马达放置于车体中心升降结构下方。链条式传动较齿轮式传动, 可减少齿轮间摩擦力增大工作时容错率, 能够更好的保护马达。底盘所有传动齿相同, 来保证不同马达间不会因扭力大小不同而产生动能损失。在从动齿轮上安装了轴角传感器, 能够测定机器人两边边轮子行进的距离, 便于后期进行有效的编程来控制机器人。
(二) 抬升结构
抬升结构上, 采用了反向双平行四连杆的弓字抬升。它比平行四连杆的最高抬升高度稍低, 但是效率更高。传统平行四连杆结构只是单向上下运动, 不利于机器在被干扰时的稳定性。在改进的结构中, 双向运动的下部和上部均有所抬升, 可以很好的保证抬升结构的稳定性, 减少侧翻概率。在升降结构的中部, 放置了能精确感知0°-270°的角度传感器, 从而实现精确抬升。通过编程, 能完成一键从底盘到最高堆叠处, 减少了由于电池电压问题导致的抬升位置不准确的问题。
(三) 夹取结构
采用了先进的折叠式机械臂。这种机械臂的特点在于, 短小, 并且效率高, 可以完美保证机器在高位运动时, 机身的稳定性。其链条结构由两个锁死的齿轮通过链条相连, 以此来保证第一级和第三级的机械臂保持相对夹角不变。选取以皮筋作为夹子的软质夹子结构。这种夹子可以使锥体在地上和夹取到空中时, 保持相同姿态。采用双限位措施保证在机械臂收回后, 夹子能悬停在一个相对位置保持静止, 即通过角度传感器实现电限位和物理限位, 不仅能保护马达不用长时间带电来保持平衡, 还能最大程度上减小惯性带来的影响。
(四) 其他改进
在机械结构上, 由于抬升结构自重的问题, 持续工作对马达的损伤较大。因此在升降结构中加入皮筋。上升时, 皮筋在缩短的过程中, 释放能量帮助机械抬升;在下降时, 皮筋在伸长的过程中储存能量。可以使得马达在反转时, 可以将无效功率化为能量存储在皮筋中, 以此达到保护马达的作用。
四、结论
本文基于STEM理念并结合VEX机器人的相关零件, 成功设计并实现了锥体堆叠机器人。根据设计需求, 确定机器人的主体结构为弓字抬升, 即反向双平行四连杆结构, 来保证机器人抬升过程中具备足够的稳定性。与此同时通过实际检验, 该种结构既能满足对于效率的要求, 还能适用于更高的锥体堆叠高度。
摘要：随着科学技术的不断发展, 越来越多的大学开始重视对于学生创新能力的培养, 无论是在国内还是国外, 有越来越多高校投入到机器人教育中。机器人教育蕴涵了科学, 技术, 工程, 数学, 是STEM理念教育的最好的体现。本文所设计实现的VEX锥体堆叠机器人也是基于这样的目标实现。
关键词：STEM,VEX,锥体堆叠机器人
参考文献
[1] 祝智庭, 雷云鹤.STEM教育的国策分析与实践模式[J].电化教育研究, 2018 (1) :75-85.