摘 要：RoboCup小型组（F-180 smallsize league）研究在动态环境下使用一个集中或者分布的系统如何控制多智能体以及完成它们的协作。文章从硬件角度对机器人的各部分系统的设计进行分析，提出我们的构思和总结制作机器人的一些经验。
关键词：足球机器人；RoboCup；万向运动；踢球带球
Research on Structural Design of Soccer Robot
WANG Lei，SUN Zengqi
(Tsinghua University,Beijing 100084, China)
Abstract：The RoboCup small-size robot soccer, or F-180 league, focuses on the problem of intelligent multi-agent cooperation and control in a highly dynamic environment using a hybrid centralized/distributed system. This paper analyses the design of hardware parts of soccer robot, puts forwards our design philosophy and summarizes our experiences.
Key words：soccer robot; RoboCup; ominimotion; kicking & dribbling
0引言
RoboCup是国际上通过比赛提高机器人学和人工智能研究的竞技项目。其中小型组（F-180 smallsize league）研究在动态环境下使用一个集中或者分布的系统如何控制多智能体以及完成它们的协作。
小型组的比赛在2 800×2 300 mm的铺有绿色地毯的场地上进行，两队各有5个机器人，每个机器人直径D≤180 mm、高度H≤150 mm，使用一个桔黄色的高尔夫球作为比赛用球。图1为清华大学小型足球机器人1。
组建一个成功的足球机器人队伍需要聪明的设计，应用和集中很多软硬件部件成为一个强壮的功能体。小型组足球机器人对教学和研究来说都是非常有趣味和有挑战性的领域。
而足球机器人的硬件作为策略运用的平台，其功能和效果直接影响到软件的发挥。因此设计足球机器人的时候，无不在硬件上花了很大的心思。从硬件设计的角度出发，对小型组足球机器人的运动系统与车身布局、踢球机构、带球机构、电路与控制系统等几个方面来对于足球机器人的设计提出我们的构思，并总结了一些经验。
1运动系统与车身布局 
足球机器人要求反应迅速，运转灵活，以便完成发球、传接球、踢球、防守、断球、射门等动作。运动是足球机器人的最重要的功能，因此如何使足球机器人运动性能最佳是进行车身和运动机构设计的首要因素。机构设计原则主要体现为三项：降低转动惯量；增强稳定性；加强抗碰撞能力。
1.1电机选择与整体结构
电机的选择对机械结构的影响明显，并且对于小车的运动灵活性起关键作用。选择电机主要是对于步进电机和直流伺服电机的比较。
直流伺服电机的优点是功重比大，能保证足够的速度。但是要想保证准确的速度，必须使用测速传感器如光电编码器，通过CPU对伺服电机进行闭环的PWM控制；伺服电机的速度过高，必须使用减速器传动。并且伺服电机造价很高。
步进电机的缺点是同样功率下的重量比伺服电机大，体积也大。但步进电机是开环控制，无需测速器件，也不需要减速器，减少了机构的复杂性。
目前，电机还是选用直流伺服电机为宜，为了方便控制，可以选择高电压（12V）低电流的电机，可以选用的如MAXON、Minimotor等品牌。选择伺服电机的时候需要考虑功重比、外形尺寸、力矩等多重因素。
机器人的整体结构从上往下分为三层：最上面是上平面板，用于视觉系统的识别色标和天线；中间是电路板；最下面是机械结构的车体部分。其中电池仓可置于电路板下边，或者机器人两边。机械结构的车体部分有两种设计方案：整体结构、板柱结构。如图1中的两个机器人分别为两种不同的结构。
整体结构是指机器人的车体设计成一个完整的框架，这在加工上需要对铝合金进行铸造或者铣床加工，将内部掏空，然后来安装电机和其他机构。好处是装配精度高，不易变形，耐碰撞。但是造价高、重量大。
板柱结构是指机器人的车体设计成几块铝合金板和螺柱固定在一起装配而成，这样的结构轻便易于加工，造价低廉，重量轻，但是装配精度差，容易变形，不耐碰撞和长期运动。
在设计机器人的时候可以按照实际情况选用其中的一种结构。
有3种形式的足球机器人：两轮、三轮、四轮。以下分别就其中的设计要点进行分析。
1.2两轮机器人
车体的俯视横截面不宜做成正方形，可以选择图2中的两种方案。
图2（a）中边角采用圆角可以缩短机器人的转弯半径，减少阻碍。前后的两个凹槽是为了兜住球，使得球在带球机构的控制下。图2（b）中左右两侧的圆弧形状可以增大机器人面积，便于安装机构。
对于两轮机器人的运动，要求具备三个参数，坐标和方向角，即（x，y，θ），而两轮机器人只有两个主动轮，因此是不完整约束，两轮机器人运动轨迹是由圆弧和圆弧的切线组成曲线的（见图3），这样调整到正对球的位置不很方便，所以两轮机器人最好是设计成前后对称的方案，即前后都可以踢球和带球的结构。
车体由四点支撑，其中左右各一个驱动轮，前后各有一个辅助的万向支撑轮。车体也可以由三点支撑，其中只有一个辅助支撑轮。四点支撑可以将左右主动轮配置在机器人的中轴线，如图4（a），这样重心容易掌握。有时为设计的需要，主动轮的轴线偏后，如图4（b）需要在旋转控制的时候做一些处理或者补偿。三点支撑也有这个问题，如图4（c）。四点支撑的结构不能强求4点都能着地，这样做的结构是会使一个主动轮悬空，而经验证明让其中一个不着地会使机器人在运动中通过俯仰减缓冲击力而更有稳定性。
辅助支撑轮有两种方式（见图5），一种是滚珠机构的万向支撑轮，这种轮子对机器人的运动影响小，但在地毯上长时间运动以后，容易堵塞，使得阻力增大。另外一种是轴承结构的单自由度支撑轮，不会堵塞，但装配的时候要求和主动轮的轴平行。
两个主动轮需要保证在一根轴线上，这样将减少很多运动误差，因此最好是采用共轴设计，如图6中所示。
减速器的设计有两种考虑。一种是购买合适的减速器直接与电机装配在一起，因为购买的减速器精度好，传动效率高，但是给空间布局增加了难度；另外一种是自己设计减速器，将减速齿轮塞在车轮内，如图7所示，可以节省空间，但是齿轮精度不好，因此传动效率不高，容易产生噪声。
减速比（l）的设计可以采用以下公式：
其中Vmax为设计的机器人最高速度；D为车轮直径；n为电机转速（rps）；l为减速比。
车轮的轮距（x）也是重要参数，机器人原地旋转的角度（θ1）与电机转角（θ2）之间的关系为：
1.3三轮机器人
两轮车的运动轨迹可以归结为直线和圆弧，因此两轮车的轨迹规划复杂，而三轮车有三个主动轮，对于三个参数（x，y，θ）是完整约束，从一点到另外一点可以直线运动，并且能够在行进中转向，轨迹可以归结为折线。三轮车的这一优良运动特性使得两轮车相形见绌。图1（b）中的机器人即为三轮车。图8为三轮万向运动的原理图。
Muir和Neuman［1］提出了基于坐标变换的轮式机器人运动学建模系统方法。对于三轮机器人（见图9）。
OXYw坐标系中的反运动学方程：
上面的笛卡尔系的动力学方程是在OXYw坐标系，需要变换到OXYw坐标系中：
OXYm坐标系中平台的反运动学方程：
因此，给定要求三轮机器人的x，y方向的速度Vx，Vy，则可利用上述公式得出三个轮子的速度，进而可以控制电机达到这个速度，来实现机器人的万向移动。
实现三轮万向移动的关键在于轮子的设计。万向车轮基本构造是大轮的边缘套有侧向小轮，这样，机器人在侧向移动的时候不会产生阻碍作用。
万向轮有两种制式，图10(a)为互补结构，这种结构运行稳定，始终有一个小轮的边缘可以着地，但轮子的宽度比较大，给空间布局带来一定影响，另外着地点会内外交错，如图11所示，这样对机器人的旋转造成非线性影响，所以会使机器人在运动方向上有偏移或左右摇摆。图10（b）是非互补结构，使用较多的小轮，这种结构轮子的宽度可以比较小，并且着地点始终在一个圆上，不会对机器人带来非线性影响，但是，由于两个小轮之间有间隙，所以轮子的直径在运动中会有变化，机器人的上下振动比较大，如图12所示。△R＝R[1-cos(180°/n)] (19) 直径的变化幅度为：
这两种万向轮相比较而言，采用第二种比较好。万向复合轮组成的万向移动机构，运动灵活、效率较高，轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态，不易磨损；滚子轴的受力情况也较好；对各个轮的转向和转速控制得当，即可实现精确定位和轨迹跟踪。
三个主动轮在机器人截面上的分布主要考虑以下因素：
1. 车体的主要运动是直线运动；
2. 车体需要有一个面作为主击球面；
3. 车体内各机构不能干涉。
因此车体的三个车轮分布中的δ角需要调整。如果三个车轮是简单的120°均布，则δ角为30°。只用一个面作击球面，可留出更大的空间安装功能强大的带球装置，这时减小δ角，如调整至15°甚至 0°。只是要将重心配平到圆心处有困难，动力特性受到一定影响。
轮子的配置方案有如下几种：
图13(a)即是以三轮为圆上间隔120°均布，图13(b)则加大其中两轮的间隔，留出主要的一面，而图13(c)则是图13(b)所示的极限。
由于三轮机器人的优良的运动性能和结构方面的考虑，所以只需要一个主击球面。三轮机器人的外形的横截面有两种（见图14）。
1.4四轮机器人
三轮机器人的运动性能较之两轮车有很大的提高，但是由于电机控制有加速过程，当给定机器人的（Vx，Vy）时，分配给三个轮子的速度可能有较大的差，这样加速时间就会有不同，因此机器人在启动时就偏离了预定的方向。这个偏差固然可以用视觉来纠正，而从设计角度可以通过增加一个主动轮来降低这种误差，也就是四轮机器人。
四轮机器人的运动参数同样也是（x，y，θ），而四个主动轮是冗余约束，速度分解有多个解，因此需要加上优化方程，即四个轮子的速度方差最小：
除此之外，四轮机器人和三轮机器人没有太大的区别。
四轮的布局可以参考图15。
2踢球机构
踢球机构对于足球机器人的射门和传接球具有重要意义，有多种可供选择的方案，如直线电机、汽缸、齿轮齿条、电磁铁、螺线管、翻板、丝杠等，同时还需要辅助的储能机构如弹簧、电容等，以及触发机构，比如位置开关、继电器等。通常选择最有机械效率机构，常用的有三种：齿轮齿条、翻板、螺线管。
齿轮齿条机构是在带球滚轴的下方，存在一个推板与滚轴平行，推板的上缘略高于球的中心高度，推板的后边与一个可以移动的水平齿条垂直固定，齿条则与另外一个小直流电机轴上齿轮啮合，此电机的控制电路使电机在需要的时候突然正转击球，然后缩回。齿条的前后应各有限位卡口，以防止齿条冲出。
翻板机构与带球滚轴使用同一根用轴承接合的复合轴，上边紧固一个翻板，一端与一个电机相连。踢球时打开电机，则翻板击中球，使其弹出。之后关闭电机即可。这种方案可以将球撬起越过对方机器人而进入球门。
这两种方案都要求电机的功率比较大，触发时用过电压和最大电流，其示意图如图16所示。
螺线管（solenoid）是一种螺线形式的电磁铁，机械效率比较高，最好采用图17这种机构。图17需要使用辅助的大电容和继电器，逻辑过程是：初始时，继电器接通电源和电容储存电能，触发时断开电源，连接电容和螺线管放电，踢球结束则断开螺线管，重新接上电源储能。
3带球机构
带球机构对于机器人的传接球、带球突破同样有重要的意义。由于规则规定不可以限制球的自由度，所以带球机构只有一种方法，即利用摩擦力令球向后自旋。
产生摩擦力的机构是橡胶滚轮，当橡胶滚轮高速旋转的时候，将带动球向后旋转，如图18所示。
在机器人的前方，由一个直流电机带动一个橡胶滚轮自始至终旋转，方向是由上往下，由外向里，当机器人前进的时候，由于球在向后旋转，因此能保持在机器人前端，当机器人后退的时候，球高速向后旋转，能够跟随机器人运动。
橡胶滚轮的设计一是要选择合适摩擦力的橡胶材料，并且橡胶要有一定的强度，既不能太硬也不能太软，摩擦力和软硬度可以通过试验确定。二是橡胶滚轮的形状要设计合理，机器人在带球的时候，最理想的是让球保持在机器人正面的中心位置。因此滚轮最好设计成如下状态的表面曲线，即中部内凹如图19所示。
最佳的带球能力是当机器人横向移动或者旋转运动的时候，也能保持球的跟随，因此有必要设计侧向高速旋转的橡胶滚轮。侧向滚轮倾斜放置，有利于压住球，抑制球的漂浮。当球移动到接近侧向滚轮的边缘时，受侧向滚轮的影响将会移动到主滚轮的中心位置。滚轮以及侧向滚轮的直径、中轴线的高度与球的直径和接触点有几何函数关系（参见图20）。
带球机构产生的问题是，当机器人前进的时候，由于主动滚轮的作用，球在高速向后旋转，这时容易将机器人顶起来，致使前轮不能着地，而机器人不能前进或抖动，解决的办法是主动滚轮采用悬挂装置，即令主滚轮的轴有上下移动的裕量。
4电路与控制系统
电路是机器人控制和运动的灵魂，其要完成的是接受主机的指令，进行解释转换并完成附加的运算以后传给机械结构各部分电机的控制器，来完成电机的旋转，实现机器人的各种运动。图21是电路功能的示意图。
电路设计和布板的一些原则：
（1）结构要求紧凑；
（2）数字电路和模拟电路部分分开；
（3）使用两组电池，分别给电路板运动电机和踢球带球机构供电，避免相互干扰；
（4）模块化设计，如电机的控制器做成可重复的模块，排列在总线上。
一些主要的芯片，比如CPU可以使用DSP、MSP、296、PC104等。电机控制可以选用L298、A3952等芯片。无线通讯可以选择RadioMetrix433（418）、nrf903等。
在电路上实现的控制系统如图22所示。
5结论
就RoboCup小型组足球机器人的硬件设计包括：机器人运动与车身布局、踢球系统、带球系统、电路与控制系统做了综合的分析，并提出了我们的一些构思与经验总结。
参考文献
［ 1］Muir P F. Neuman , C P. Kinematic. Modeling of Wheeled Mobiled Robots［J］. Journal of Robotic Systems ,1987, 4(2):281-340.
［ 2］足球机器人培训教材［Z］，清华大学智能技术与系统国家重点实验室, 2003.
［ 3］http://robocup.mi.fuberlin.de/images/padova2003/smallsize/.
［ 4］http://robocup.mae.cornell.edu/documentation.php
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