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关键词：足球机器人；RoboCup；万向运动；踢球带球
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
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。
