淺談FTC競賽機(jī)器人的設(shè)計和組裝

呂文熙

摘 要：習(xí)總書記提出的利用工業(yè)制造4.0實行我國工業(yè)現(xiàn)代化彎道超車的偉大目標(biāo)，智能機(jī)器人是關(guān)鍵。當(dāng)前所有機(jī)器正在走向智能化和自動化，智能機(jī)器人也是現(xiàn)在乃至未來的熱點，向青少年進(jìn)行機(jī)器人的普及是非常必要的，可以提高青少年的創(chuàng)新實踐能力和科學(xué)研究能力。本次研究通過FTC機(jī)器人的競賽，來對一種基于光電和顏色識別傳感器裝置和子彈裝幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合的競賽機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計和組裝，并通過自己親身經(jīng)歷的思考對機(jī)器人競賽等一系列創(chuàng)新活動進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：FTC競賽 機(jī)器人 設(shè)計 組裝

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0123-02

習(xí)總書記提出的利用工業(yè)制造4.0實行我國工業(yè)現(xiàn)代化彎道超車的偉大目標(biāo)，智能機(jī)器人是關(guān)鍵。智能機(jī)器人作為一種智能化兼具自動化的機(jī)器，在人類的生產(chǎn)生活中占據(jù)著日益重要的地位，并且機(jī)器人的發(fā)展也是衡量一個國家的綜合實力的重要因素。同時，機(jī)器人科學(xué)具有非常強(qiáng)的綜合性，主要涉及計算機(jī)、數(shù)學(xué)以及物理等重要學(xué)科，并且對制作者的要求也非常高，需要制作者能夠掌握機(jī)器人的編程、設(shè)計方案以及搭建方法，與此同時，還需要對及其的使用方案和工作的原理進(jìn)行了解，這就對制作者的科學(xué)知識、綜合素質(zhì)、團(tuán)隊合作精神以及應(yīng)變能力的要求更加提高了。并且機(jī)器人科學(xué)具有濃厚的趣味性，能夠提高學(xué)生對這類科學(xué)學(xué)習(xí)的積極性。FTC競賽是一項具有非凡意義的機(jī)器人賽事，其英文全稱為“First Tech Challenge”，它的意思是具有高科技性質(zhì)的挑戰(zhàn)賽，主要是面向16歲左右的高中學(xué)生。近幾年來，此競賽已多次在國內(nèi)舉辦，并產(chǎn)生了較大的影響，并且能夠提高我國青少年的實踐能力和創(chuàng)新能力。本次研究主要對FTC競賽機(jī)器人的設(shè)計和組裝進(jìn)行研究。

1 FTC機(jī)器人競賽的介紹

此競賽主要分為兩個階段，分別為自動階段和手動階段。其中，自動階段主要是比賽開始的30s之后正式進(jìn)入此階段，機(jī)器人在運行的過程中需要依照之前的設(shè)置來進(jìn)行運行。在此階段開始之前，從兩個方位中任選其一，并將球投入籃筐之中。機(jī)器人可通過相關(guān)操作進(jìn)行獲取分?jǐn)?shù)，例如，機(jī)器人將球進(jìn)行收集后，通過自動收球技術(shù)和子彈裝幀結(jié)構(gòu)將球彈出，然后機(jī)器人通過全場定位技術(shù)從平臺駛離，然后移動至駐停區(qū)。手動階段的時間為2min，機(jī)器人在手動階段的主要任務(wù)是將球進(jìn)行收集，并將球投入到籃筐之中，需要對球控制的穩(wěn)定性和速度。手動階段的后30s為競賽的結(jié)束階段，當(dāng)處于比賽結(jié)束階段時，機(jī)器人進(jìn)入駐停區(qū)之內(nèi)，則競賽分隊可以得到加分。

2 基于傳感器裝置和抬升裝置進(jìn)行配合的競賽機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計和組裝

在FTC競賽開賽之后，即開始進(jìn)行團(tuán)隊的組織和明確各自的分工，在8人團(tuán)隊之中，機(jī)器人搭建的工作可以通過4個人來進(jìn)行完成，程序編寫的任務(wù)可通過2個人來進(jìn)行，其他2人可以作為操作者。根據(jù)上述對FTC機(jī)器人競賽的介紹可知，其競賽的主要任務(wù)就是在地面無規(guī)則存放小球，將小球通過機(jī)器人拾起，然后將小球置于籃框之中。此項競賽的目標(biāo)較為明確，屬于單一形式的項目競賽，將這一項任務(wù)能夠較好地完成，可以通過使用四輪小車機(jī)器人（彈式投球）來進(jìn)行對任務(wù)的完成。此四輪小車的4個輪子能夠向各方向進(jìn)行前進(jìn)和后退，但需要強(qiáng)力的馬達(dá)做支撐，以使四輪小車機(jī)器人的動力充足。但是若要在此次任務(wù)中獲勝，只依靠此四輪小車機(jī)器人進(jìn)行參加競賽是不能夠完成任務(wù)的，所以應(yīng)該將效率和功能方面的多樣化進(jìn)行統(tǒng)一，同時這也符合當(dāng)前科技發(fā)展的主要趨勢。

對研究的方向進(jìn)行確定之后，接下來的任務(wù)就是進(jìn)行具體的設(shè)計工作和構(gòu)建工作，同時，對總體進(jìn)行考慮是非常必要的。在進(jìn)行搭建底盤的時候，需要保持底盤的平整性。本次使用的底盤是利用數(shù)字加工技術(shù)和碳纖維板材制作而成的，此板材需要對后期線路的排布進(jìn)行考慮和規(guī)劃，例如馬達(dá)以及伺服的數(shù)量需要多少個、電池安放的主要方法以及NXT等。這些事項都必須提前進(jìn)行規(guī)劃，與此同時，還需要考慮將球置入桶中最簡潔、最高效的方法。在此環(huán)節(jié)中，可分為收球以及放球兩個環(huán)節(jié)。球與其他形狀的物體相比，具備一定的彈性，因此對球以“投”的方式進(jìn)行操作自然會得到彈性的助力，關(guān)鍵難點就在于球彈出的穩(wěn)定性和速度的問題，本次設(shè)計子彈回填裝置來進(jìn)行解決彈射問題，并輔之自動收球技術(shù)來進(jìn)行。當(dāng)彈射問題得以解決之后，投球裝置所發(fā)揮的效率以及抬升裝置所產(chǎn)生的配合不容易進(jìn)行解決。本次主要通過使用T件（TATRIX件）來進(jìn)行對其解決，原因在于T件的馬達(dá)較為強(qiáng)力。若出現(xiàn)T件種類過少的情況，可以通過使用M件（MATRIX件）對其進(jìn)行彌補(bǔ)，但兩種件在螺母方面非常不容易進(jìn)行區(qū)分，所以在應(yīng)用的過程中，需要細(xì)致進(jìn)行。所使用的投球的裝置與彈射裝置非常相似，但是由于T件的馬達(dá)功率較大，因此要注意控制投球時的平穩(wěn)性以及投球的速度。這對這種問題，應(yīng)該將緩沖設(shè)計加入其中，以對投射過程中因彈力過大而無法投入籃筐中的問題進(jìn)行解決。

3 FTC機(jī)器人競賽活動參與的一些建議

針對本次對FTC機(jī)器人競賽活動的研究筆者提出一些可行性建議，具體建議如下。

（1）在進(jìn)行FTC機(jī)器人競賽活動參與的過程中，對機(jī)器人進(jìn)行搭建需要提前設(shè)計出一個經(jīng)得起推敲的整體方案，并且需要搭建小組對這套整體方案進(jìn)行熟悉和認(rèn)知，在此基礎(chǔ)之上，積極地對各種改進(jìn)措施進(jìn)行思考，以對編寫程序進(jìn)行積極配合。

（2）在進(jìn)行機(jī)器人搭建的過程中，必須要做好每一步，尤其是機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面是否牢固，零部件在運行的過程中能否脫落，這些都應(yīng)該加以注意。必須對搭建完畢的機(jī)器人進(jìn)行檢查和維護(hù)，以確保機(jī)器人的穩(wěn)固性，如果在競賽的過程中，出現(xiàn)零部件的脫落，將會嚴(yán)重影響整個比賽的結(jié)果，以及評委對機(jī)器人設(shè)計方面的抵觸印象。所以，搭建小組應(yīng)該對搭建的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行重復(fù)檢查，并對機(jī)器人進(jìn)行維護(hù)。

（3）從程序員的角度來講，程序員應(yīng)該對自動和手動的編排進(jìn)行區(qū)分開，如果一個人能夠?qū)⒊绦蚓幣磐瓿?，最好是由一個人負(fù)責(zé)程序的編排，因為，將此項工作交由一個人負(fù)責(zé)，能夠?qū)υ摮绦蜻M(jìn)行熟知，若某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，此程序員會在第一時間將出現(xiàn)錯誤的程序找到并改正。

（4）從競賽項目的負(fù)責(zé)人角度來講，負(fù)責(zé)人應(yīng)該對全局進(jìn)行統(tǒng)籌安排，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時解決，并且還需要負(fù)責(zé)人具有沉著冷靜的心態(tài)和準(zhǔn)確的判斷力、指揮能力等，除此之外，負(fù)責(zé)人還應(yīng)該具備較高的素質(zhì)，并且需要具備較強(qiáng)的交際和溝通能力，以方便對機(jī)器人構(gòu)造、原理以及技術(shù)要點進(jìn)行解說和剖析，以使本次機(jī)器人設(shè)計的來龍去脈能夠被人所知。

（5）進(jìn)入半決賽和決賽，選擇聯(lián)盟隊友的時候，重點應(yīng)該考慮戰(zhàn)術(shù)配合協(xié)調(diào)是否良好、通信聯(lián)系是否暢通等因素。而不能考慮地域、關(guān)系等問題。

（6）比賽的時候“斷聯(lián)”是個不容易解決的問題，為了減少“斷聯(lián)”的幾率，操作手比賽時不能攜帶不相干的通信設(shè)備。

4 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)今時代是一個科技發(fā)展極為迅速的時代，主要便體現(xiàn)在新科技出現(xiàn)快、更新快、速度快以及質(zhì)量優(yōu)越等特點。因此，對科技的認(rèn)知必須從青少年開始進(jìn)行培養(yǎng)，使青少年的創(chuàng)新能力、實踐能力以及對知識進(jìn)行認(rèn)知的能力得到提高，從而使青少年的綜合素質(zhì)及能力得到增強(qiáng)，使青少年能夠達(dá)到社會需求的標(biāo)準(zhǔn)，通過科技來進(jìn)行武裝自己、強(qiáng)化自己。本次研究主要對一種FTC競賽機(jī)器人的設(shè)計和組裝進(jìn)行研究，研究主要以搭建機(jī)器人、程序的編制以及整體管理進(jìn)行各自分工，來對其設(shè)計和組裝進(jìn)行研究，通過研究，此競賽的機(jī)器人設(shè)計和組裝過程中存在一些細(xì)節(jié)問題需要參與此競賽活動的選手注意，并對機(jī)器人設(shè)計和組裝過程中的注意事項進(jìn)行說明，希望能夠為參與此活動者提供可用性意見。

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