在今天的帖子中，Maitreyee Mordekar将向您介绍来自印度孟买K. J. Somaiya工程学院的KJSCE Robocon团队。该团队在2020年全国- dd Robocon中获得了全印度排名第8位，并在比赛的第一阶段和第二阶段获得了最高分。该团队将分享他们使用MATLAB和Simulink设计机器人参加橄榄球比赛的经验。舞台是你的了!

对于任何机器人建造者来说，物理身体模拟都是设计的关键部分。它让设计师了解概念的可行性，并有助于在不同情况下进行彻底的分析。我们，在MATLAB IP团队(包括西班牙帕瓦尔，Dhruv Joshi，Hritik贾斯瓦尔，Kamal Rohra而且塔迦尔Viraj)KJSCE Robocon团队2020年,使用动态仿真模块而且Simscape创建各种机制的模拟2020年全国机械展机器人技术的竞争。

他们的任务是开发能玩橄榄球的机器人，其中包括踢和搬运橄榄球。比赛是打一场橄榄球比赛使用两个机器人(一个投掷机器人和一个踢脚机器人)。竞技场上的七人队伍由两个机器人和五个障碍物组成，他们是五个防守队员。目标是使投掷机器人(TR)和踢球机器人(KR)机器人协作，将球踢过两队共用的横梁。检查这个视频理解竞争问题陈述。

在这篇博客中，我们将讨论:

• 我们是如何模拟橄榄球的?
• 对踢脚机器人和投掷机器人进行了问题陈述、设计方案和验证
• 完整驱动器的设计
• 我们是如何为设计机器人做准备的?

我们是如何模拟橄榄球的?

因为问题是围绕着橄榄球展开的，所以我们首先开始建模橄榄球。当我们开始这项工作时，建模的特点是椭球形固体在《Simscape》中并不存在;哪个被加为a功能现在。我们花了一周的时间来建模，现在可能只需要一个简单的块就可以完成!

我们最初的想法是用几个小球体来创造一个橄榄球(可以想象为橄榄球内部的多个球体)。然而，由于它需要多个接触，所需要的计算能力将会高得多。因此，我们设计了一种生成自定义接触面的新方法;我们用球的组合来模拟椭球

• 每个接触球距离橄榄球的中心有一个固定的位移
• 我们根据橄榄球的曲率半径来确定球的半径。

这就是为什么，我们需要一些接触，而不是创建数千个小点大小的球体接触力，使计算更轻，更快。

这个近似模型给了我们一个准确的结果，帮助我们准确地模拟了球与地面的碰撞。

投掷机器人建模

存在的问题:

用我们提出的设计思想，投掷5-6米距离的橄榄球的最佳压力范围是多少?使用我们的想法是否有可能得到想要的范围?

我们的建议设计:

为了达到这一目的，在齿轮链轮的帮助下，将活塞的平移运动提供给转动臂。链轮，旋转手臂，给橄榄球一个抛射运动。

解决方案:

首先，我们使用Simscape和Simscape Multibody设计了我们提议的物理设计。然后，我们必须找到投掷球所需的确切压力。因此，我们必须研究一些理论并将其应用到我们的Simscape模型中。

我们需要了解施加在链轮上的扭矩之间的关系，以移动由输入压力控制的手臂。我们用物理方程，

$压力\左(P \右)= \frac{F}{A} \;和\;扭矩\左(\tau \右)= r\乘以F$

包括活塞的摩擦力，

力=(活塞提供的压力*活塞面积)-活塞的摩擦力

$F_{s} = (P*A) - F_{f}f$

因此,

施加在链轮上的扭矩=链轮半径*施加在链轮上的力

$ \tau_{链轮}= r * F_{s}$

我们将计算出的扭矩提供给与链轮在同一框架内的转动关节，最终导致圆周运动。

通过以0.2 bar为步长，在4-6 bar之间提供压力范围的各种输入，我们得到了橄榄球的轨迹。我们选择11.25度作为垂直角度的方向，因为对于给定的扭矩，我们实际上观察到这个角度的最大范围。

当橄榄球的高度为0时(用蓝线表示)，橄榄球就会触地。我们找到了从发射位置到相应的水平距离(用黄线表示)。在模拟之后我们得到了理想的弹丸射程压力范围为4到4.4巴。

踢脚机器人的设计

存在的问题:

为了确保橄榄球越过横杆(位于距离地面1.47米的高度，距离踢球机器人的位置10米的位置)，对关节施加的最佳压力是多少?

我们的建议设计:

橄榄球被放在球座上，与球座垂直成10度角。倾斜是为了考虑在放置球时可能出现的任何轻微倾斜。电机将输出轴逆时针旋转330度，进而旋转踢脚段和踢脚面。踢腿面撞击橄榄球，给它所需的动量，以实现所需的抛射运动。

解决方案:

踢腿机构的接触模型与投掷机构中使用的模型相似，只是做了一些小的调整。只有球的下半部分在4个表面(2个球形和2个圆盘形;对球的整个接触面进行建模，模拟地面与球的接触以及踢球面与球的接触。

就像你现在可能已经理解的那样，我们在模拟踢球表面和球之间的机械脉冲。因此，我们需要接触刚度的细节，因为球轻微变形由于脉冲。我们用一支铅笔、一把尺子、一块木板和一个称重传感器进行了实验测定。我们计算的平均刚度为73497.3 N/m

像投掷装置一样，我们在球和球座之间连接了一个变换传感器，以获得球的x、y和z位移。然后，我们验证了在距离机器人10米的地方(黄线)，高度(蓝线)大于1.47米，这意味着这是一个分数!

我们也在真实机器人上尝试了从仿真中得到的结果，结果与仿真一致。实际实验模型给出了应用扭矩范围为5.0 - 5.6 Nm的最佳结果，这是由我们的仿真结果确定的(5.2 - 5.4 Nm扭矩范围)。

在研究完整驱动器

在接下来的部分中，我们想要为踢球机器人找到最佳的路径，同时接住由投掷机器人传递的橄榄球。这是为了确保机器人可以把球放在一个尝试点，以确保它花最少的时间来穿越。

寻找最优路径

我们致力于使用Simscape Multibody开发整个竞技场。然后我们使用砖块固体和刚性转换块导入我们的踢机器人。除此之外，我们还通过. step文件导入了底盘和车轮。

我们首先通过在重心处施加力来了解最佳路径。我们使用不同的路径让机器人到达TRY SPOTs 1到5。通过模拟和时间分析，我们发现对角线路径适用于TRY 2和TRY 3，而抛物线路径适用于TRY 4和TRY 5。利用机器人中心经过的原始位置和期望位置，从理论上推导出TRY SPOTs 4和TRY SPOTs 5的方程。这些被证明是

$Y= = 2.5 + \sqrt{3.854\ast \left (x - 0.575 \right)}$

而且

大概{$ Y = = 2.5 + \ 5.2 \ ast \ (x - 0.575 \右)}$

分别。我们为机器人的输入驱动器提供了这些输入。

就像之前提到的，我们只是通过提供机器人重心的坐标来获得机器人的路径，这在很大程度上并不是机器人在竞技场中运动的准确表示。

完整驱动与车轮旋转

这里的主要挑战是设计泛光灯轮的机构。我们导入了全向轮的. step文件，并使用了Simscape Multibody中可用的空间接触力特性。我们的万能轮由塑料中心框架和橡胶滚轮组成。在设计模拟时，我们必须通过手动优化来准确确定两种材料的阻尼(我们以铬金属的阻尼作为参考)。

我们使用Simulink中的PID控制逻辑来操纵机器人通过竞技场。我们使用两个pid级联控制机器人。外部PID根据变换传感器的读数到达设定的目标点。该PID的输出给内部PID，内部PID根据变换传感器的读数将速度传递给车轮的转动关节，从而准确地模拟实际机器人中使用的伺服。

然而，由于时间轴，我们能够实现直线路径。这是我们将在未来几年改进和实现的目标。

我们是如何为设计机器人做准备的?

使用MathWorks工具成功地模拟了所提出的模型，并帮助我们在没有严格物理测试的情况下完成了机器人设计。这对于节省时间和人力来说是一个巨大的帮助，因为在这个前所未有的时代，我们无法立即访问硬件。

我们建造机器人的旅程始于斜坡弯道这是一个很好的开始。一旦我们觉得我们已经掌握了基础知识，我们就会从MATLAB和Simulink Robotics Arena中查看视频学生教程和视频页面。对我们特别有帮助的视频是模拟投掷机器人机构；对于我们来说，根据我们的需求开始构建模型是一个很好的点。这帮助我们提高了基础知识，这样我们就可以继续应用基础知识来构建我们的投掷机器人和踢机器人，与对手球队打橄榄球。

感谢MathWorks为我们提供了一个健壮的物理建模仿真平台。

我们希望你喜欢我们的博客，如果你有任何问题或意见，请随时与我们联系roboconkjsce@somaiya.edu!你也可以查看我们的视频，模型文件而且我们的旅程！