一種FTC競賽機器人的設計和組裝

山東省泰安市第一中學 鄭青斐

一種FTC競賽機器人的設計和組裝

山東省泰安市第一中學 鄭青斐

作為高度自動化和智能化的機器，機器人是現在、也是未來科技發展的重要增長點，對青少年進行機器人科學教育有助于提高學生的創新意識和科學實踐能力。本論文作者以參加FTC青少年機器人科技挑戰賽的參賽經歷為基礎，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計與組裝進行了詳細闡述，并對中學生參加機器人競賽等科技創新活動提出了自己的思考。

機器人；FTC科技挑戰賽；剪叉式抬升；設計與組裝

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域的重要作用毋庸置疑，機器人科學技術的發展也一直是衡量一個國家科技力量的重要指標。機器人科學綜合性很強，涉及物理、數學和計算機科學等，要求制作者不但要掌握機器人的搭建方法，根據任務設計相應的方案，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、導線等電子元件的性能等，對制作者的綜合素質、科學知識、隨機應變的能力和團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生的科學素養和學習積極性。

FTC科技挑戰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”，意為最高科技挑戰賽，是由美國一種非盈利機構FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology，為了科學、技術的靈感和認知)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。該賽事給學生提供了一個科技平臺，把課堂上的科技概念運用到現實工程問題的解決中。該賽事自2012年由同濟大學引入中國以來，現已在國內舉辦四屆，對我國中學生的創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華北地區挑戰賽，本論文就是在參賽經歷的基礎上對競賽機器人的設計和組裝進行的思考。

1 2015年FTC機器人競賽主題與任務

2015FTC的比賽主題是連鎖效應（Cascade Effect），隊伍通過放置塑料球（分大球和小球）到一個中央結構上的各個球筐里，或把球放到大小不同的移動球筐里，獲得比對抗聯盟更高的分數。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，機器人只能通過預先設置的程序運行。在自動運行階段開始前，旋轉中心結構到一個方位（共三個方位）。機器人可以完成以下任務得分，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盟的駐停區。手動運行階段：手動運行階段為兩分鐘，機器人的任務是收集球，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（比賽結束后）為基礎計算得分的。

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

2 基于“剪叉”式抬升和高度傳感器配合的機器人設計與組裝

2015屆FTC競賽開始后，我們首先組建了一支八人團隊，四人負責機器人搭建，二人負責編寫程序，二人為操作手。然后，我們研究了2015FTC競賽任務，就是將地面上無規律放置的的小球分別放入30cm、60cm、90cm、120cm高的桶中，目標明確，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一，這也是當今科技發展的方向。

確定好研究方向后，就是具體設計和構建的問題，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、需要幾個伺服、需要怎樣安放電池和NXT等。這些都必須提前規劃好，同時要考慮如何將球放進桶里最高效。這個環節可以分為收集小球和放球兩個環節，當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，但是高度調整不便、重心不穩都是問題，故而不如剪叉裝置更有效?，F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。作為少數使用T件的我們隊是看中T件的強力馬達，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馬達功率太大機械臂落地時會對馬達造成傷害（我們曾損壞了兩個馬達），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，本文作者負責搭建機器人，搭建組需要對整體方案十分熟悉，并要積極思考各種改進措施以配合編寫程序。同時務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生，搭建組成員必須像保姆一樣對機器人從頭到尾進行維護。至于程序員最好是一組編自動一組編手動，當然最好是能夠有一個人全權負責。最重要的是要有一個好的PM（Program manager），項目負責人，能夠全局把握，統籌安排，及時解決遇到的問題和困難。我們團隊成員個人能力都很強，就是因為個別人缺少團隊精神，遇到困難就退縮，結果導致我們團隊只獲得了華北賽區第三名的成績。但是，機器人科學將會是我們永遠的追求。也衷心祝愿FTC越辦越好。

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

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

[3]周德炎.中學機器人教學問題探析[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，現就讀于泰安一中，曾獲得2015FTC科技大賽華北賽區三等獎和中國電子學會第二屆全國青少年創新智能大賽最佳作品獎和最佳設計體驗獎。