一种半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种足球机器人电磁弹射系统。
背景技术
FIRA国际机器人足球联合会和RoboCup国际机器人足球世界杯赛是目前国际上最具影响力的足球机器人赛事组织。这两个组织每年均举办足球机器人的竞赛活动，致力于通过举办比赛和技术交流推进机器人竞赛、培训、教育事业的发展。
中型组足球机器人比赛是每年的固定比赛项目。中型组足球机器人比赛的投影应大于30cmⅹ30cm，小于50cmⅹ50cm。机器人高度不低于40cm，不高于80cm。机器人质量不超过40kg。在长12米宽8米的场地上进行比赛，使用国际足联标准5号足球。由于中型组足球机器人在比赛规则、足球大小、场地大小、机器人大小方面与人类足球比赛最为相似，所以每年的中型组足球机器人比赛都非常激烈。
在中型组足球机器人比赛中，射门得分对比赛起着决定性作用。电磁弹射系统是机器人的重要组成部分，有气动式、弹簧式和电磁式等，电磁式弹射系统由于力度可控、高稳定性被大量使用。但现有的弹射系统只能将足球沿一个固定方向踢出，不能完成挑射、吊射等技术动作，同事现有弹射系统中的电磁铁使用续流二极管解决线圈断电时的强大感应电动势问题，过程中线圈中储存的磁能以热能形式释放，有一定的能量浪费。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统，该系统包括机械结构和控制电路，机械结构又包括击球结构、电磁推动结构和升降结构；控制电路采用半桥电路，控制电磁推动结构动作，带动击球机构实现踢球动作；升降机构控制击球机构在竖直方向上下移动，改变击球点的位置，实现多角度击球；控制电路在踢球动作完成后，可以回收电磁铁线圈的磁能，提高了能量利用效率，减少了电容充电等待时间。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统，包括机械结构和控制电路，控制电路控制机械结构实现踢球动作；
所述机械结构包括击球结构、电磁推动结构和升降结构；电磁推动机构在控制电路的控制下带动击球结构实现踢球动作；升降机构控制击球机构在竖直方向上下移动，改变击球点的位置，实现多角度击球；
所述控制电路使用半桥电路结构，包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一快恢复二极管、第二快恢复二极管、电磁铁线圈和500V电容；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与500V电容正极、第一快恢复二极管的阴极连接；第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二快恢复二极管的阴极连接；所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与第一快恢复二极管的阳极连接；第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与500V电容负极、第二快恢复二极管的阳极连接；所述电磁铁线圈一端与第一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，另一端与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；
第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管导通瞬间，电磁铁线圈产生磁力推动电磁推动结构动作；第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管关断瞬间，电磁铁线圈中剩余的磁能回收为500V电容中的电能；
优选的，所述击球结构包括推杆支架、击球杆、推杆固定法兰、推杆和转轴；所述推杆竖直放置，推杆的上端由推杆支架固定，推杆的下端由推杆固定法兰固定；击球杆的上端与推杆支架通过转轴连接，击球杆的下端悬空，整体与推杆平行；击球杆在电磁推动结构的推动下绕转轴旋转，下端抬起，实现踢球动作；击球杆中间位置设置有槽口；
优选的，所述电磁推动结构包括回拉挡圈、电磁机构、置放板、连接杆、固定法兰、击球传动件和销钉；所述电磁机构中间两侧安装固定法兰，所述固定法兰在置放板上方与置放板固定连接；
所述回拉挡圈、电磁机构、连接杆和击球传动件依次固定连接；所述击球传动件未与连接杆固定连接的另一端穿过击球杆的槽口，并用销钉固定；所述电磁机构在控制电路的作用下，通过连接杆和击球传动件推动击球杆绕转轴旋转，实现踢球动作；所述回拉挡圈在踢球动作完成后回拉，带动电磁机构、连接杆和击球传动件回移，使击球杆复位；
优选的，所述升降结构包括步进电机直线结构、步进电机连接件、步进电机导轨模块和固定钣金；所述固定钣金与置放板固定连接，并与步进电机直线机构固定连接，将步进电机直线机构固定；所述步进电机连接件一端与推杆支架固定连接，另一端与步进电机导轨模块固定连接；所述步进电机导轨模块与步进电机直线结构通过螺杆螺母啮合，步进电机直线结构驱动步进电机导轨模块上下移动，通过步进电机连接件带动推杆支架和击球杆上下移动，使击球杆击球位置在高度上发生改变，实现多角度击球；
本发明的有益效果是：
1.本发明的半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统，机械结构简单可靠，成本低，可使用升降结构实现足球机器人的多角度射门，完成挑射、吊射等技术动作，增强机器人射门得分能力。
2.本发明应用半桥电路回收了踢球后电磁铁线圈中的磁能，提高了能量利用效率，减少了电容充电等待时间，在相同时间内可完成更多的射门次数。
附图说明
图1是本发明系统框图。
图2是本发明机械结构的整体结构示意图。
图3是本发明机械结构整体结构的右侧辅助视图。
图4是控制电路简化图。
图中：1-击球结构，2-电磁推动结构，3-升降结构，101-推杆支架，102-击球杆，103-推杆固定法兰，104-推杆，105-转轴，201-回拉挡圈，202-电磁机构，203-置放板，204-连接杆，205-固定法兰，206-击球传动件，207-销钉，301-步进电机直线结构，302-步进电机连接件，303-步进电机导轨模块，304-固定钣金。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供了一种半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统，该系统包括机械结构和控制电路，机械结构又包括击球结构、电磁推动结构和升降结构；控制电路采用半桥电路，控制电磁推动结构动作，带动击球机构实现踢球动作；升降机构控制击球机构在竖直方向上下移动，改变击球点的位置，实现多角度击球；控制电路在踢球动作完成后，可以回收电磁铁线圈的磁能，提高了能量利用效率，减少了电容充电等待时间。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
如图2和图3所示，一种半桥电路能量回收的足球机器人电磁弹射系统，包括机械结构和控制电路，控制电路控制机械结构实现踢球动作；
所述机械结构包括击球结构1、电磁推动结构2和升降结构3；电磁推动机构2在控制电路的控制下带动击球结构1实现踢球动作；升降机构3控制击球机构1在竖直方向上下移动，改变击球点的位置，实现多角度击球；
所述控制电路使用半桥电路结构，包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一快恢复二极管、第二快恢复二极管、电磁铁线圈和500V电容；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与500V电容正极、第一快恢复二极管的阴极连接；第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二快恢复二极管的阴极连接；所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与第一快恢复二极管的阳极连接；第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与500V电容负极、第二快恢复二极管的阳极连接；所述电磁铁线圈一端与第一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，另一端与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；
第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管导通瞬间，电磁铁线圈产生磁力推动电磁推动结构动作；第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管关断瞬间，电磁铁线圈中剩余的磁能回收为500V电容中的电能；
优选的，所述击球结构1包括推杆支架101、击球杆102、推杆固定法兰103、推杆104和转轴105；所述推杆104竖直放置，推杆104的上端由推杆支架101固定，推杆104的下端由推杆固定法兰103固定；击球杆102的上端与推杆支架101通过转轴105连接，击球杆102的下端悬空，整体与推杆104平行；击球杆102在电磁推动结构2的推动下绕转轴105旋转，下端抬起，实现踢球动作；击球杆102中间位置设置有槽口；
优选的，所述电磁推动结构2包括回拉挡圈201、电磁机构202、置放板203、连接杆204、固定法兰205、击球传动件206和销钉207；所述电磁机构202中间两侧安装固定法兰205，所述固定法兰205在置放板203上方与置放板203固定连接；
所述回拉挡圈201、电磁机构202、连接杆204和击球传动件206依次固定连接；所述击球传动件206未与连接杆204固定连接的另一端穿过击球杆102的槽口，并用销钉207固定；所述电磁机构202在控制电路的作用下，通过连接杆204和击球传动件206推动击球杆102绕转轴105旋转，实现踢球动作；所述回拉挡圈201在踢球动作完成后回拉，带动电磁机构202、连接杆204和击球传动件206回移，使击球杆102复位；
优选的，所述升降结构3包括步进电机直线结构301、步进电机连接件302、步进电机导轨模块303和固定钣金304；所述固定钣金304与置放板203固定连接，并与步进电机直线机构301固定连接，将步进电机直线机构301固定；所述步进电机连接件302一端与推杆支架101固定连接，另一端与步进电机导轨模块303固定连接；所述步进电机导轨模块303与步进电机直线结构301通过螺杆螺母啮合，步进电机直线结构301驱动步进电机导轨模块303上下移动，通过步进电机连接件302带动推杆支架101和击球杆102上下移动，使击球杆102击球位置在高度上发生改变，实现多角度击球；
实施例：
如图1所示，电磁弹射系统由机械结构和控制电路组成。机械结构包括击球结构、电磁推动结构和升降结构，控制电路的核心是半桥电路。
如图2、图3所示，机械结构采取模块化设计，由击球结构1、电磁推动结构2、升降结构3等三部分组成。
击球结构1由推杆支架101、击球杆102、推杆固定法兰103、推杆104、转轴105五部分构成。其中推杆104竖直设置，推杆支架101和推杆固定法兰103与推杆104同心配合；推杆104上端由推杆支架101固定，下端由推杆固定法兰103固定；击球杆102设置在推杆104的外侧，与推杆104平行，击球杆102的上端与推杆支架101通过转轴105连接，击球杆102的下端悬空；击球杆102在电磁推动结构2的推动下绕转轴105旋转，下端抬起，实现踢球动作；
电磁推动结构2由回拉挡圈201、电磁机构202、置放板203、连接杆204、固定法兰205、击球传动件206、销钉207七部分构成。其中回拉挡圈201与电磁机构202内的硅钢块固定连接，连接杆204也与电磁机构202内的硅钢块固定连接，击球传动件206与连接杆204固定连接；在电磁线圈202中间绕线两侧加装固定法兰205，固定法兰205放置在置放板203上，与置放板203固定连接。
升降结构3由步进电机直线结构301、步进电机连接件302、步进电机导轨模块303、固定钣金304四部分组成。其中，步进电机直线结构301与步进电机导轨模块303同心配合，步进电机连接件302与推杆支架101、步进电机导轨模块303固定连接，固定钣金304与步进电机直线机构301固定连接，同时与置放板203固定连接，实现升降机构3的固定。
电磁推动结构2中的击球传动件206穿过击球结构中两根推杆104间的区域，并穿过击球杆102中间的槽口，并用销钉207固定。击球传动件206在电磁推动结构的推动下击打击球杆102，带动击球杆102绕转轴105进行中高速旋转，实现踢球动作，之后电磁推动结构2的回拉挡圈201在外接弹簧的作用下回拉，带动硅钢块、连接杆204、击球传动件206回移，击球杆102在销钉207的作用下，完成复位动作，为下一次击球做准备。升降结构的步进电机直线结构301和步进电机导轨模块303进行配合，采用螺杆和螺母相啮合，使步进电机导轨模块303实现上下运动，再通过步进电机连接件302的连接作用，带动推杆支架101和击球杆102的上下运动，使得击球杆102击打足球的击球位置发生改变，实现不同角度的击球，完成射门动作。
如图4所示，控制电路的半桥电路由两个绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2，两个快恢复二极管D1、D2，电磁铁线圈L和500V电容组成。绝缘栅双极型晶体管Q1集电极与500V电容正极相连，发射极与电磁铁线圈L一端相连；绝缘栅双极型晶体管Q2集电极与电磁铁线圈L另一端相连，发射极与500V电容负极相连。快恢复二极管D1阳极与绝缘栅双极型晶体管Q2集电极相连，阴极与500V电容正极相连；快恢复二极管D2阳极与500V电容负极相连，阴极与绝缘栅双极型晶体管Q1发射极相连。通过两个绝缘栅双极型晶体管的同时开闭时间来控制电磁铁的通断电进而控制踢球动作的力度。
当两个绝缘栅双极型晶体管均为导通状态时，电流从500V电容正极由A、C经过电磁铁线圈L到D、F回到500V电容负极，此时线圈产生磁力推动电磁铁运动。当两个绝缘栅双极型晶体管迅速关断时，电磁铁线圈中产生巨大的感应电动势，使绝缘栅双极型晶体管Q2集电极电势迅速升高，绝缘栅双极型晶体管Q1发射极电势迅速降低，推动电流从500V电容负极由E、C经过线圈到D、B回到500V电容正极，实现电磁铁中剩余的磁能回收为电容中的电能。
