喻新堯 董曉峰 洪志國(guó)

（空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州，221000）

活躍思維 創(chuàng)造奇跡
——空軍勤務(wù)學(xué)院中國(guó)機(jī)器人大賽紀(jì)實(shí)

喻新堯 董曉峰 洪志國(guó)

（空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州，221000）

今年空軍勤務(wù)學(xué)院代表隊(duì)組建20個(gè)參賽小組，前往安徽合肥參加中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大賽），共參與3個(gè)大項(xiàng)10個(gè)小項(xiàng)的角逐。仿人機(jī)器人競(jìng)速項(xiàng)目，參加了標(biāo)準(zhǔn)賽、障礙賽、創(chuàng)意賽；機(jī)器人搬運(yùn)比賽項(xiàng)目，參加了標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)組、輪式光電組、車(chē)型創(chuàng)意組、人型創(chuàng)意組；雙足競(jìng)步項(xiàng)目，參加了自由體操、交叉足印、狹窄足印。

從2009年開(kāi)始組隊(duì)參加大賽至今，空軍勤務(wù)學(xué)院代表隊(duì)累計(jì)獲全國(guó)一等獎(jiǎng)93項(xiàng)（其中冠軍7項(xiàng)、亞軍5項(xiàng)、季軍7項(xiàng)），二等獎(jiǎng)24項(xiàng)，三等獎(jiǎng)13項(xiàng)。2012年，大賽在江蘇徐州舉辦，空軍勤務(wù)學(xué)院還作為承辦方之一負(fù)責(zé)組織了大賽的部分賽事。中央電視臺(tái)新聞?lì)l道“朝聞天下”和“新聞直播間”欄目連續(xù)三年對(duì)我院的比賽情況進(jìn)行了報(bào)道，多地省報(bào)進(jìn)行了獨(dú)家采訪并制作專(zhuān)欄報(bào)道。

今年，大賽在安徽合肥建筑大學(xué)舉行，我院代表隊(duì)與全國(guó)200多所學(xué)校2000多支隊(duì)伍同臺(tái)競(jìng)技，經(jīng)過(guò)緊張激烈的角逐，最終奪得9個(gè)一等獎(jiǎng)、3個(gè)二等獎(jiǎng)、3個(gè)三等獎(jiǎng)的好成績(jī)，其中包括3個(gè)冠軍、1個(gè)亞軍和2個(gè)季軍。

圖1 大賽開(kāi)幕式

一、主要參賽項(xiàng)目

(一)人形組

1.仿人機(jī)器人競(jìng)速障礙組

規(guī)則簡(jiǎn)述：機(jī)器人在8分鐘內(nèi)，沿“400米型”（長(zhǎng)3660mm寬2440mm）跑道走完一圈，起點(diǎn)位于第一彎道初始端，途中在第一彎道中間、第一直道中間、第二彎道終點(diǎn)處設(shè)有三個(gè)高2cm、寬1cm的長(zhǎng)方體型障礙。機(jī)器人需跨過(guò)障礙，中途如若出線、碰到障礙則視為出局，每個(gè)機(jī)器人有兩次機(jī)會(huì)，最終在最短時(shí)間內(nèi)跨過(guò)最多障礙者得勝，其余依次排位。

2.仿人機(jī)器人競(jìng)速標(biāo)準(zhǔn)組

規(guī)則簡(jiǎn)述：機(jī)器人沿“400米型”（長(zhǎng)3660mm寬2440mm）跑道走完一圈，時(shí)間最短者得勝，其余依次排位。

3.雙足競(jìng)步機(jī)器人自由體操組

規(guī)則簡(jiǎn)述：在3分鐘內(nèi)，完成“揮手，鞠躬，雙手俯臥撐，左、右手俯臥撐，前、后滾翻，及左、右側(cè)翻，倒立，劈叉，自由動(dòng)作”后，由評(píng)委統(tǒng)一打分，分高者得勝。

4.機(jī)器人搬運(yùn)比賽人形組

規(guī)則簡(jiǎn)述：機(jī)器人搬運(yùn)比賽要求人形機(jī)器人模擬在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中，自動(dòng)化物流系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程。機(jī)器人在比賽場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)，將不同顏色、形狀或者材質(zhì)的料塊分類(lèi)搬運(yùn)到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域。比賽記分根據(jù)機(jī)器人將物體放置的位置精度和完成時(shí)間來(lái)決定分值的高低。分高者得勝。

（二）車(chē)型光電組

規(guī)則簡(jiǎn)述：5分鐘內(nèi)、把盡可能多的、分三種顏色的物塊兒從物料區(qū)搬到目標(biāo)區(qū)，成功按要求搬運(yùn)一個(gè)物塊兒計(jì)10分，若過(guò)程中顏色識(shí)別錯(cuò)誤，搬運(yùn)一個(gè)物塊兒則扣10分，小車(chē)停止搬運(yùn)后若能返回出發(fā)區(qū)額外計(jì)10分。分高者得勝。

二、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及技術(shù)突破

如何更好地使用傳感器一直以來(lái)是我們學(xué)院重要的研究方向。通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)探索，我們實(shí)現(xiàn)了使用傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確的控制，同時(shí)彌補(bǔ)了很多結(jié)構(gòu)上的不足，大大簡(jiǎn)化了以前繁瑣的控制程序。這次參賽隊(duì)員使用完全自主設(shè)計(jì)和手工制作的機(jī)器人參加競(jìng)賽，擴(kuò)展使用了多種傳感器。

（一）人形組

仿人競(jìng)速比賽要求機(jī)器人自由度多，這種結(jié)構(gòu)比較靈活，但缺點(diǎn)是：重量大，增加負(fù)荷，重心不易控制，機(jī)器人在行走過(guò)程中易摔倒。另外，仿人競(jìng)速比賽還有一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)：如何實(shí)現(xiàn)更科學(xué)地巡線，使機(jī)器人在提升速度的同時(shí)保證巡線質(zhì)量。

針對(duì)上述難題，參賽隊(duì)就仿人競(jìng)速標(biāo)準(zhǔn)組的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新，并在技術(shù)上優(yōu)化了單腿巡線的路線方案。圖2是優(yōu)化后的仿人競(jìng)速標(biāo)準(zhǔn)組參賽機(jī)器人。

1.雙足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要分析機(jī)器人連桿的位置、姿態(tài)與關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，包括兩個(gè)基本問(wèn)題：一是己知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于繪定坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；二是已知桿件的幾何參數(shù)和給定的末端執(zhí)行器擺在總體坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求關(guān)節(jié)變量的大小。這即是通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和逆問(wèn)題。圖3表示兩種關(guān)系的簡(jiǎn)單框圖。

圖2 我隊(duì)仿人競(jìng)速標(biāo)準(zhǔn)組參賽機(jī)器人

圖3 動(dòng)力學(xué)分析流程

其間的主要工作是：將機(jī)器人模型簡(jiǎn)化成多連桿模型，對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行詳細(xì)分折，應(yīng)用等價(jià)齊次坐標(biāo)變換矩陣建立雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得出各關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式，并求出雅可比矩陣和微分運(yùn)動(dòng)方程。

2.ZMP理論和雙足步行機(jī)器人穩(wěn)定性

由于雙足機(jī)器人的足底和腳板只是與地面接觸而不固定，它們的運(yùn)動(dòng)必須滿(mǎn)足一個(gè)固定條伴，即保持與地面的接觸，因此，在研究動(dòng)力學(xué)的時(shí)候，我們必須確定機(jī)器人的足底面是否保持接觸，規(guī)劃能夠保證機(jī)器人足底與地面接觸的運(yùn)動(dòng)模式。為此，我們通常使用ZMP理論。

ZMP是步行機(jī)器人研究中的一個(gè)重要物理量。1992年，一篇機(jī)器人控制的論文中首次定義了零力矩點(diǎn)(zeromoment point，縮寫(xiě)為ZMP)。ZMP是這樣描述的：ZMP是地面上的一點(diǎn)，重力和慣性力對(duì)這一點(diǎn)的力矩，其水平分量為零。也就是說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于這個(gè)點(diǎn)的前向、側(cè)向的傾翻力矩為零。當(dāng)雙足機(jī)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，ZMP和腳底所受地面力的反向壓力中心CoP(Center of pressure)是重合的。因此，我們可以根據(jù)檢測(cè)到的地面反力信息，計(jì)算CoP，通過(guò)控制策略調(diào)整ZMP和CoP的位置，使二者重和，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走。

圖4給出了機(jī)器人足底所受作用力分布的例子。沿足底分布的負(fù)載具有相同的方向，它們等效于一個(gè)合力R，其作用點(diǎn)在足底范圍內(nèi)。合力R所通過(guò)的在足底上的這個(gè)作用點(diǎn)成為零力矩點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)ZMP。

圖4 ZMP示意圖

3.理論應(yīng)用于實(shí)踐

步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，構(gòu)建模型也很復(fù)雜，因此需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。為了方便計(jì)算，現(xiàn)將機(jī)器入作如下假設(shè)：

1）機(jī)器人的所有質(zhì)量都集中于質(zhì)心位置；

2）只考慮機(jī)器人的前后和上下二維方向的運(yùn)動(dòng)；

3）假設(shè)機(jī)器人的腿部無(wú)質(zhì)量，它與地面的接觸是通過(guò)一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)以上假設(shè)，機(jī)器人可以視為著名的二維倒立擺模型。我們最終確定了如圖5的模型，并參照已有機(jī)器人，確定了新式結(jié)構(gòu)。

圖5 機(jī)器人腿部受力分析模型

將機(jī)器人上身看成一個(gè)質(zhì)心，質(zhì)量為mg，腿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，θ如圖5所示，重心處所受合力為N總，其偏重心的過(guò)程，可以視為以腳踝為中心上半身剛體的旋轉(zhuǎn)，若要使機(jī)器人在這過(guò)程中保持穩(wěn)定，則需其合力矩為零。這里舵機(jī)所能提供的扭矩已確定。

對(duì)模型受力分析，得

根據(jù)函數(shù)的性質(zhì)，函數(shù)f(x)=θ與函數(shù)f(x)=sinθ，兩者為正相關(guān)關(guān)系，故：

N總=mg*L*sinθ 可變形為 N總/L = mg *sinθ，

因?yàn)閙g為已知固定量，所以L與sinθ成反比例關(guān)系；又因?yàn)楹瘮?shù)f(x)=θ與函數(shù)f(x)=sinθ兩者為正相關(guān)關(guān)系，所以L與θ也成反比例關(guān)系，即：L反比于θ。

這樣我們就得到了一個(gè)關(guān)系，機(jī)器人的腿長(zhǎng)和兩腳間間距成反比。

要使機(jī)器人走得快，必須滿(mǎn)足兩個(gè)要求：一是步幅要大，二是步頻要快。步幅取決于腿的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)意味著步幅越大，步頻取決于偏中心過(guò)程的快慢，偏中心的難易程度取決于兩腳間距。

這是一對(duì)矛盾，我們必須在長(zhǎng)度和間距之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。聯(lián)想人類(lèi)行走，我們的腿長(zhǎng)其實(shí)是有一定的收縮空間的，因?yàn)槿祟?lèi)擁有膝蓋這樣的機(jī)構(gòu)，來(lái)幫助人保持平衡，使腿伸縮，于是我們?cè)跈C(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)中加入了膝蓋，使腿長(zhǎng)L變成了可變的量，有了一定的伸縮性。

圖6 膝蓋位置示意圖

最終，我們?cè)谝延袡C(jī)器人的基礎(chǔ)上，開(kāi)創(chuàng)了12舵機(jī)自由度的結(jié)構(gòu)，使得新的機(jī)器人可以更好地完成任務(wù)。

圖7 舵機(jī)腿部結(jié)構(gòu)樣圖

4.單腳巡線方案的確定

機(jī)器人行走巡線的方式靈活多變，常見(jiàn)的多為雙腳夾線巡線，這種巡線方案雖然保險(xiǎn)，但機(jī)器人完成起來(lái)步驟繁雜，執(zhí)行次數(shù)多，動(dòng)作緩慢。

為了追求更快的速度，我們嘗試了多種新的巡線方式，如：巡內(nèi)線行走，避線行走，階段性巡線等方法。在嘗試過(guò)程中，我們遇到了諸多瓶頸，理論上成立的方案，因?yàn)楦鞣N因素的制約如傳感器精度不夠、單片機(jī)計(jì)算能力不足等而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。再三研討下，我們確定了一種較為保險(xiǎn)、快速的巡線方案——單腳避中線巡線方案，巡線示意圖如圖8所示。

圖8 單腳避中線巡線示意圖

在圖8中，方框代表雙腳，紅色框代表巡線腳，藍(lán)色點(diǎn)為4個(gè)TK_20n傳感器，黑、紅色箭頭為無(wú)傳感器判斷時(shí)邁步方向，藍(lán)色箭頭為傳感器工作時(shí)邁步方向。

巡線方案的目標(biāo)是：在使用盡可能少的傳感器的前提下，完成巡線任務(wù)。

初始位置，機(jī)器人兩腳平行于跑道，在無(wú)傳感器工作時(shí)，機(jī)器人會(huì)按預(yù)設(shè)程序，向前方行走并小角度的向右偏移；在走過(guò)多步之后，傳感器將會(huì)檢測(cè)到黑線；不同位置的傳感器檢測(cè)到黑線將會(huì)執(zhí)行不同的程序，例如：圖8中1號(hào)位置檢測(cè)到黑線，只需回轉(zhuǎn)一個(gè)小角度即可回到跑道位置，若4號(hào)檢測(cè)到黑線，說(shuō)明機(jī)器人腳步已經(jīng)邁出黑線過(guò)多，需要回轉(zhuǎn)一個(gè)大角度的步幅，才可回到跑道繼續(xù)前進(jìn)。

（二）車(chē)型光電組

1.技術(shù)改進(jìn)

車(chē)型光電組對(duì)以前比賽用機(jī)器人的技術(shù)改進(jìn)包括：預(yù)判功能，優(yōu)化的傳感器排布方式，多套函數(shù)等。

2.制作歷程

這次比賽用機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取、識(shí)別、安放功能，在實(shí)驗(yàn)室，我們一直使用的是伺服舵機(jī)，整體速度偏慢、減速不太容易控制。

伺服舵機(jī)屬于數(shù)字舵機(jī)，主要組成部分為伺服電機(jī)，其中包含伺服電機(jī)控制電路和減速齒輪。伺服舵機(jī)有兩個(gè)致命缺點(diǎn)：壽命短、易損壞；速度慢、效率低。而直流減速電機(jī)恰恰彌補(bǔ)了這兩點(diǎn)不足，它靠控制電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、通過(guò)傳感器來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)位置。因此，我們決定改用直流減速電機(jī)。

由于我們實(shí)驗(yàn)室是剛開(kāi)始接觸直流減速電機(jī)，所以面臨著諸多問(wèn)題：資料不足，目前市場(chǎng)上能準(zhǔn)確控制電機(jī)的電路模塊價(jià)格較高，等等。這些對(duì)我們來(lái)說(shuō)是巨大挑戰(zhàn)。我們需要解決的難題是如何低成本地準(zhǔn)確控制電機(jī)，這也可以說(shuō)是一次動(dòng)力革命。

車(chē)型光電組團(tuán)隊(duì)在圖書(shū)館里查找資料，發(fā)現(xiàn)了一塊名叫L298N的芯片，它輸出電流大、功率強(qiáng)、最高工作電壓為50V、可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，正符合需要。但是在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程卻不如大家想象的那么簡(jiǎn)單。首先，隊(duì)員要通過(guò)資料來(lái)制作L298N驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)多次不成功的實(shí)驗(yàn)，最終大家決定從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)一款簡(jiǎn)單的L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)我們對(duì)電機(jī)的控制。

要做出一輛優(yōu)秀的機(jī)器人搬運(yùn)車(chē)，首先要保證車(chē)能夠平穩(wěn)跑起來(lái)。實(shí)驗(yàn)階段，隊(duì)員們配合以前使用的TK-20n來(lái)控制制作的試驗(yàn)車(chē)，卻無(wú)法比較平穩(wěn)地控制電機(jī)，最初大家認(rèn)為是單片機(jī)的計(jì)算能力不足，但是換了中斷測(cè)試，結(jié)果還是一樣。于是，隊(duì)員們又從軟件方面考慮，決定為車(chē)增加預(yù)判功能，在增加檢測(cè)距離功能的同時(shí)，還增加了傳感器的數(shù)量來(lái)確保小車(chē)的穩(wěn)定性。當(dāng)電機(jī)偏離我們預(yù)想的軌跡時(shí)，通過(guò)TK-20n來(lái)“告訴”電機(jī)調(diào)整一下。

其次，準(zhǔn)確控制對(duì)物塊的檢測(cè)及抓取。最初，隊(duì)員們考慮用激光傳感器來(lái)檢測(cè)物塊。這是因?yàn)椋杭す饩哂懈吡炼?、高方向性、高單色性、高相干性等特點(diǎn)，激光傳感器能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、抗電子干擾能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隊(duì)員們卻發(fā)現(xiàn)，激光傳感器的靈敏度太高、反應(yīng)太快，最終，我們選擇了體積較大的漫反射光電開(kāi)關(guān)。

對(duì)抓取物塊方案的定奪耗費(fèi)了隊(duì)員們大量時(shí)間。其中有幾點(diǎn)難關(guān)：第一，小車(chē)本身是無(wú)法判斷方向的，如何保證小車(chē)取完物塊后能回到應(yīng)有的路線？第二，物塊是堆放在一起的，如何保證抓取物塊的同時(shí)不將其余的物塊推出物料區(qū)？第三，小車(chē)取到物塊存在一定概率，如果第一次取不到物塊，如何讓小車(chē)糾錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)后續(xù)物塊的抓??？

物塊抓取過(guò)程中存在許多問(wèn)題，這些問(wèn)題，無(wú)論是直接巡線的偶然性，還是通過(guò)其他傳感器的控制等等，都可以通過(guò)程序進(jìn)行彌補(bǔ)。所以，隊(duì)員們?cè)O(shè)計(jì)編寫(xiě)了多套函數(shù)，并將這些函數(shù)制作成一系列可調(diào)用的子函數(shù)。在遇到相關(guān)狀況時(shí)，小車(chē)可以調(diào)用函數(shù)，自動(dòng)校正路線，這樣省去了諸多麻煩。程序員基于C語(yǔ)言編寫(xiě)出一個(gè)很長(zhǎng)的程序，羅列了可能出現(xiàn)的種種情況，順利解決了巡線時(shí)的各種難題。

樣機(jī)試驗(yàn)成功后，大家對(duì)小車(chē)重新制作、包裝，優(yōu)化了傳感器的排列布局方式。

今年參賽用車(chē)的制作工藝較往年有很大提升，隊(duì)員們?yōu)榱藴p輕車(chē)的重量，用鋁板手工制作了車(chē)的骨架；為了平衡車(chē)體，自制了萬(wàn)向輪；為了準(zhǔn)確無(wú)誤地抓住物塊，自制了夾子。

在正式比賽中，小車(chē)取得了搬運(yùn)8個(gè)物塊的好成績(jī)，是去年搬運(yùn)數(shù)量的兩倍，與冠軍僅差一個(gè)物塊。

三、收獲感受

一路走來(lái)，風(fēng)雨無(wú)阻。參賽隊(duì)員們?cè)诤诎抵忻鳎谀婢持星靶?，?jīng)歷了太多的艱辛與不易。大家知道，唯有不懈的堅(jiān)持奮斗與果敢的創(chuàng)新精神，才可能引領(lǐng)我們?nèi)〉贸晒Α?/p>

1．良好的環(huán)境才能孕育創(chuàng)新

仿人競(jìng)速小組成員魏靖林在與同伴們討論后，準(zhǔn)備按照自己的想法來(lái)鉆研，教授得知了他的想法，對(duì)他說(shuō)：“雖然通過(guò)加舵機(jī)增速的想法已經(jīng)被以前的同學(xué)們證實(shí)是行不通的，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，創(chuàng)新就是要有足夠的容錯(cuò)率，要有足夠的耐心、勇氣、毅力來(lái)包容錯(cuò)誤，只有這樣才能在錯(cuò)誤中成長(zhǎng)，在錯(cuò)誤中升華。你愛(ài)思考的創(chuàng)新精神值得大家學(xué)習(xí)，也是一筆寶貴財(cái)富啊?！苯?jīng)過(guò)教授的提醒與指導(dǎo)，他到處翻論文、搜視頻、查書(shū)籍，翻閱了大量資料，做了厚厚的一本筆記，終于在摸索和失敗中一步步地做出了“十二舵機(jī)自由度”結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。從這件事情上，我們深深地感嘆教授當(dāng)初大膽容錯(cuò)的深謀遠(yuǎn)慮，也正是教授為隊(duì)員們營(yíng)造的創(chuàng)新環(huán)境使大家更快地成長(zhǎng)起來(lái)。所以，沒(méi)有良好的環(huán)境，創(chuàng)新就無(wú)從談起。

圖9 機(jī)器人搬運(yùn)小車(chē)

2．壓力和刺激練就強(qiáng)大的心理素質(zhì)

康國(guó)華和魏靖林去年10月1日才開(kāi)始被分為一組，搭檔制作仿人競(jìng)速標(biāo)準(zhǔn)賽機(jī)器人，時(shí)間本來(lái)就十分緊張，而且他們明明知道這是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的強(qiáng)項(xiàng)，還是欣然接受了這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。幾天之后，康國(guó)華又臨危受命——額外再做一個(gè)機(jī)器人，此時(shí)距比賽開(kāi)始時(shí)間已經(jīng)不多了，容不得半點(diǎn)耽擱。他加班加點(diǎn)地忙活了兩天兩夜，終于做出了機(jī)器人樣機(jī)。可是，還面臨著一個(gè)更為棘手的問(wèn)題——新舵機(jī)沒(méi)有到位，只能湊合著用從舊機(jī)器人身上拆下來(lái)的老舵機(jī)。在種種困難的夾擊下，他慶幸身邊還有一幫親兄弟般的戰(zhàn)友，曹鵬飛幫忙修改機(jī)器人的動(dòng)作細(xì)節(jié)，魏靖林幫著整理接線，喻新堯幫忙設(shè)計(jì)外觀造型，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴讓他十分感動(dòng)。

這個(gè)機(jī)器人雖然是一個(gè)新生兒，卻存在太多缺陷，身上的老舵機(jī)根本經(jīng)不起折騰，每調(diào)試20分鐘左右，就不得不讓它休息一會(huì)兒。不能進(jìn)行連續(xù)有規(guī)律地調(diào)試意味著這個(gè)機(jī)器人要想完成比賽幾乎是不可能的，此時(shí)教授那句“只要思想不滑坡，方法總比困難多！”給了身陷困境的康國(guó)華信心。于是，他坐在實(shí)驗(yàn)室旁邊的樓梯上，冥思苦想了3個(gè)小時(shí)，他問(wèn)自己：既然不能長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試，那為什么不把注意力轉(zhuǎn)移到程序的優(yōu)化上呢？又為什么不先把整套程序的分解程序盡可能地列出來(lái)呢？這是不是意味著可以用盡量少的調(diào)試次數(shù)來(lái)取得更佳的效果呢？皇天不負(fù)有心人，在他改變了思路后，調(diào)試僅僅進(jìn)行了3次，就完成了預(yù)定任務(wù)。更為關(guān)鍵的是，新方法使機(jī)器人身上舵機(jī)的壽命得到了有效延伸，為比賽中取得好成績(jī)奠定了基礎(chǔ)。

可是一切并不順利。當(dāng)機(jī)器人拿到合肥比賽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，機(jī)器人的整個(gè)系統(tǒng)幾近崩潰，舵機(jī)老化帶來(lái)的問(wèn)題又一次淋漓盡致地暴露出來(lái)，機(jī)器人的動(dòng)作和在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候差別太大，個(gè)別電子元器件甚至出現(xiàn)失靈，根本無(wú)法正常完成比賽。如果臨時(shí)更換新的舵機(jī)，又無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的調(diào)試狀態(tài)，突發(fā)而來(lái)的情況如同重磅炸彈幾乎將康國(guó)華擊垮，他整整一個(gè)夜晚都被無(wú)奈、無(wú)助、焦急、郁悶的情緒所籠罩。

時(shí)間不等人，比賽就要開(kāi)始了?？祰?guó)華告訴自己不能再去顧忌太多，他從頭開(kāi)始，把問(wèn)題一一找出來(lái)，然后逐個(gè)擊破。隊(duì)友馬培強(qiáng)也幫忙查找電器元件失效的原因。康國(guó)華將代碼重新整理了一遍，教授得知情況趕過(guò)來(lái)，安慰他：“不著急，這個(gè)機(jī)器人壞了沒(méi)關(guān)系，這項(xiàng)任務(wù)是你臨時(shí)接受的，完不成不怪你?！?/p>

整整一天一夜，康國(guó)華蹲在比賽場(chǎng)地的一角，在原來(lái)代碼的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更為細(xì)致的調(diào)整修改，讓每個(gè)舵機(jī)都能適應(yīng)這個(gè)新場(chǎng)地。終于，機(jī)器人在比賽前調(diào)整好了狀態(tài)。上午11點(diǎn)，輪到機(jī)器人上場(chǎng)了?？祰?guó)華一臉凝重，他在心中祈符機(jī)器人順利完成比賽。1秒，2秒，3秒……1分43秒！在大家焦急的等待中比賽結(jié)束了。這個(gè)機(jī)器人最終不僅完成了比賽，而且取得了第三名的佳績(jī)！在壓力的刺激下，康國(guó)華的潛力和整個(gè)比賽團(tuán)隊(duì)的協(xié)作精神被超強(qiáng)地激發(fā)出來(lái)，同時(shí)也練就了整個(gè)團(tuán)隊(duì)成員過(guò)硬的心理素質(zhì)。

3．不斷探索才能創(chuàng)造奇跡

輪式創(chuàng)意組的隊(duì)員們發(fā)現(xiàn)：由于可旋轉(zhuǎn)角度為360°，舵機(jī)的慣性、自身誤差等原因造成轉(zhuǎn)盤(pán)定位不夠精確，使物塊難以收入或吐出收納倉(cāng)，導(dǎo)致整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程無(wú)法完成。因此，如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)的精確定位成為困擾大家的難題。

為了解決問(wèn)題，隊(duì)員們嘗試了很多辦法。最初大家想在舵機(jī)上下功夫，既然轉(zhuǎn)動(dòng)角度為360°的舵機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中慣性大，我們何不更換容易控制的180°舵機(jī)？如果換180°舵機(jī)，又如何讓它完成360°的轉(zhuǎn)動(dòng)？一道道難題擺在大家面前。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的討論，隊(duì)員們決定使用齒輪配合來(lái)控制轉(zhuǎn)盤(pán)。由于全部是自主加工，工藝制作水平有限，隊(duì)員們難以做出相對(duì)精密、嚙合準(zhǔn)確、耐磨損度高的齒輪組，所以，成形的方案對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的控制仍未達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。

多次試驗(yàn)之后，大家改變了思路，嘗試通過(guò)外部檢測(cè)來(lái)控制轉(zhuǎn)盤(pán)。剛開(kāi)始，隊(duì)員們用黑白線傳感器檢測(cè)，即對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行黑白線標(biāo)識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制。但是，由于轉(zhuǎn)盤(pán)與傳感器的距離過(guò)小、轉(zhuǎn)盤(pán)速度過(guò)快、光照等原因，傳感器往往無(wú)法檢測(cè)到黑線。于是，大家又嘗試了激光傳感器、觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等多種傳感器，都以失敗告終。

在大家束手無(wú)策的時(shí)候，隊(duì)員楊偉群突然閃現(xiàn)出一個(gè)念頭：為什么我們總是要從現(xiàn)有的傳感器上下功夫，何不自己制作一個(gè)適合比賽車(chē)的傳感器？！

有了這個(gè)新的思路，大家就開(kāi)始琢磨，四處查閱資料，向歷屆學(xué)長(zhǎng)請(qǐng)教。最終，在激烈的討論中敲定了設(shè)計(jì)方案。

隊(duì)員們從身邊最簡(jiǎn)單的工具開(kāi)始，利用廢舊的彈簧及鋁片，將連有鋁片的彈簧固定在轉(zhuǎn)盤(pán)兩側(cè)，轉(zhuǎn)盤(pán)上也鑲有一定長(zhǎng)度的鋁片，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置時(shí)，其兩側(cè)的彈簧片被連通，通過(guò)TTL電平給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)，達(dá)到轉(zhuǎn)盤(pán)的精確控制。

通過(guò)這次自制傳感器的經(jīng)歷，大家發(fā)現(xiàn)：在創(chuàng)新這條路上會(huì)遇到無(wú)數(shù)的困難和挑戰(zhàn)，只要不斷地探索，不斷地改進(jìn)，不斷地提升，就會(huì)有所突破，激勵(lì)大腦放開(kāi)思路，創(chuàng)造出更多的奇跡。

4．追求和應(yīng)用知識(shí)比知識(shí)本身更重要

通過(guò)這次大賽，隊(duì)員們有了很多心得和收獲，大家認(rèn)識(shí)到：追求知識(shí)的精神、應(yīng)用知識(shí)的方式，比知識(shí)本身更重要、更真實(shí)。當(dāng)問(wèn)題解決不了的時(shí)候，要學(xué)會(huì)換一種角度去思考。在實(shí)際問(wèn)題面前，如果要堅(jiān)持自己的想法，就必須有仔細(xì)分析的科學(xué)精神，為想法提供技術(shù)支持，不能只憑主觀印象判斷事物而盲目堅(jiān)持。

[1]李巖.小型雙足步行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析和行走控制[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.