山東省泰安市第一中學(xué) 鄭青斐

一種FTC競賽機器人的設(shè)計和組裝

山東省泰安市第一中學(xué) 鄭青斐

作為高度自動化和智能化的機器，機器人是現(xiàn)在、也是未來科技發(fā)展的重要增長點，對青少年進(jìn)行機器人科學(xué)教育有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)實踐能力。本論文作者以參加FTC青少年機器人科技挑戰(zhàn)賽的參賽經(jīng)歷為基礎(chǔ)，對一種基于“剪叉”式抬升裝置和高度傳感器相配合的掃球機器人的設(shè)計與組裝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對中學(xué)生參加機器人競賽等科技創(chuàng)新活動提出了自己的思考。

機器人；FTC科技挑戰(zhàn)賽；剪叉式抬升；設(shè)計與組裝

作為一種高度自動化和智能化的機器，機器人在人類各個領(lǐng)域的重要作用毋庸置疑，機器人科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也一直是衡量一個國家科技力量的重要指標(biāo)。機器人科學(xué)綜合性很強，涉及物理、數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)等，要求制作者不但要掌握機器人的搭建方法，根據(jù)任務(wù)設(shè)計相應(yīng)的方案，編寫程序，還要了解各種器材的具體使用方法和原理，懂得馬達(dá)、導(dǎo)線等電子元件的性能等，對制作者的綜合素質(zhì)、科學(xué)知識、隨機應(yīng)變的能力和團(tuán)隊精神都有較高的要求。因此，機器人教育與實踐能極大地提高中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和學(xué)習(xí)積極性。

FTC科技挑戰(zhàn)賽就是這樣一種非常有意義的機器人賽事，其全稱為“First Tech Challenge”，意為最高科技挑戰(zhàn)賽，是由美國一種非盈利機構(gòu)FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology，為了科學(xué)、技術(shù)的靈感和認(rèn)知)組織主辦，面向14-18歲高中生，是國際最大青少年機器人賽事。該賽事給學(xué)生提供了一個科技平臺，把課堂上的科技概念運用到現(xiàn)實工程問題的解決中。該賽事自2012年由同濟(jì)大學(xué)引入中國以來，現(xiàn)已在國內(nèi)舉辦四屆，對我國中學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力都有極大的影響，本文作者有幸參加了2015屆FTC華北地區(qū)挑戰(zhàn)賽，本論文就是在參賽經(jīng)歷的基礎(chǔ)上對競賽機器人的設(shè)計和組裝進(jìn)行的思考。

1 2015年FTC機器人競賽主題與任務(wù)

2015FTC的比賽主題是連鎖效應(yīng)（Cascade Effect），隊伍通過放置塑料球（分大球和小球）到一個中央結(jié)構(gòu)上的各個球筐里，或把球放到大小不同的移動球筐里，獲得比對抗聯(lián)盟更高的分?jǐn)?shù)。比賽分為兩個階段：自動和手動。

自動運行階段：比賽開始的30秒為自動運行階段，機器人只能通過預(yù)先設(shè)置的程序運行。在自動運行階段開始前，旋轉(zhuǎn)中心結(jié)構(gòu)到一個方位（共三個方位）。機器人可以完成以下任務(wù)得分，包括把自動運行階段的球放到滾動球門和/或中心球門里，機器人駛離平臺，撞翻支架（并釋放球到比賽場地上），移動他們的滾動球門到聯(lián)盟的駐停區(qū)。手動運行階段：手動運行階段為兩分鐘，機器人的任務(wù)是收集球，并放在滾動球門里。滾動球門里的球是以球管道的長度和球高度（比賽結(jié)束后）為基礎(chǔ)計算得分的。

比賽結(jié)尾階段：手動運行階段的最后30秒叫做比賽結(jié)尾階段。比賽結(jié)段，機器人可能進(jìn)球到中心球門和滾動球門里。比賽結(jié)束時，機器人和滾動球門不接觸地面，以及移動滾動球門和/或機器人到聯(lián)盟駐停區(qū)里，隊伍可獲得加分。（賽細(xì)則來自FTC賽事網(wǎng)）

2 基于“剪叉”式抬升和高度傳感器配合的機器人設(shè)計與組裝

2015屆FTC競賽開始后，我們首先組建了一支八人團(tuán)隊，四人負(fù)責(zé)機器人搭建，二人負(fù)責(zé)編寫程序，二人為操作手。然后，我們研究了2015FTC競賽任務(wù)，就是將地面上無規(guī)律放置的的小球分別放入30cm、60cm、90cm、120cm高的桶中，目標(biāo)明確，為單一項目競賽。能完成這一項目的最理想機器人形式當(dāng)屬四輪小車鏟式掃球機器人。但要想在眾多隊伍中勝出，只有單一功能的小車是不能有效得分的，所以依舊是效率與功能多樣化的統(tǒng)一，這也是當(dāng)今科技發(fā)展的方向。

確定好研究方向后，就是具體設(shè)計和構(gòu)建的問題，總體考慮是必須的。從剛開始的底盤搭建就要考慮到最后線路的排布——一共需要幾個馬達(dá)、需要幾個伺服、需要怎樣安放電池和NXT等。這些都必須提前規(guī)劃好，同時要考慮如何將球放進(jìn)桶里最高效。這個環(huán)節(jié)可以分為收集小球和放球兩個環(huán)節(jié)，當(dāng)然也可將小球直接傳送到桶里。球自然是掃起來比較順手，而將球抬升至不同的高度就是比較難的問題了。這里我們采取的是“剪叉”式抬升和高度傳感配合的方法。這樣，齒條和鏈條因摩擦太大或高度限制等因素就可排除了，還有種齒輪絞和的方案，但是高度調(diào)整不便、重心不穩(wěn)都是問題，故而不如剪叉裝置更有效?，F(xiàn)在高度不是問題了，而掃球裝置的效率和抬升裝置的配合不好解決。作為少數(shù)使用T件的我們隊是看中T件的強力馬達(dá)，但由于我們使用的是T件零件上種類太少只能用M件彌補（MATRIX件和TATRIX件的螺母不好區(qū)分比較愁人）。掃球裝置使用的是類似機械臂的裝置，但T馬達(dá)功率太大機械臂落地時會對馬達(dá)造成傷害（我們曾損壞了兩個馬達(dá)），所以最后需要加緩沖以減小沖力。最后程序編寫用的是robot view和robot c，連鎖程序是編到一個手柄上，這樣更方便操作。

3 對中學(xué)生參加類似科技競賽活動的幾點建議

在上述競賽活動中，本文作者負(fù)責(zé)搭建機器人，搭建組需要對整體方案十分熟悉，并要積極思考各種改進(jìn)措施以配合編寫程序。同時務(wù)必保證搭建出來的機器人十分牢固，掉螺絲、掉輪子的情況絕對不能在比賽時發(fā)生，搭建組成員必須像保姆一樣對機器人從頭到尾進(jìn)行維護(hù)。至于程序員最好是一組編自動一組編手動，當(dāng)然最好是能夠有一個人全權(quán)負(fù)責(zé)。最重要的是要有一個好的PM（Program manager），項目負(fù)責(zé)人，能夠全局把握，統(tǒng)籌安排，及時解決遇到的問題和困難。我們團(tuán)隊成員個人能力都很強，就是因為個別人缺少團(tuán)隊精神，遇到困難就退縮，結(jié)果導(dǎo)致我們團(tuán)隊只獲得了華北賽區(qū)第三名的成績。但是，機器人科學(xué)將會是我們永遠(yuǎn)的追求。也衷心祝愿FTC越辦越好。

[1]陳麗娟.淺析機器人制作對培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的影響[J].電子世界,2014(18):413.

[2]蘇云山.開展豐富多彩的科技活動 提高中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[J].科技咨詢,2012(11):39.

[3]周德炎.中學(xué)機器人教學(xué)問題探析[J].中國教育信息化,2012(11):21-23.

[4]http://baike.baidu.com/view/8143240.htm.

[5]http://www.weibo.com/p/1001603752007147106527.

鄭青斐（1998—），山東泰安人，現(xiàn)就讀于泰安一中，曾獲得2015FTC科技大賽華北賽區(qū)三等獎和中國電子學(xué)會第二屆全國青少年創(chuàng)新智能大賽最佳作品獎和最佳設(shè)計體驗獎。