機(jī)器人VEX項(xiàng)目高中組競(jìng)技實(shí)踐

郭佳霖

摘 要：近年，機(jī)器人技術(shù)得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、工業(yè)、家庭等方面，筆者通過(guò)參加2018年遼寧省機(jī)器人VEX項(xiàng)目高中組競(jìng)賽，研究實(shí)踐了VEX工程挑戰(zhàn)賽“步步為營(yíng)”的設(shè)計(jì)、搭建、操作等活動(dòng)方案，并取得了良好的實(shí)戰(zhàn)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 VEX項(xiàng)目 步步為營(yíng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（c）-0196-02

1 VEX項(xiàng)目簡(jiǎn)介

機(jī)器人VEX項(xiàng)目起源于加利福尼亞州立大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、美國(guó)太空總署等單位組織的一項(xiàng)世界錦標(biāo)賽，在2006年中國(guó)科協(xié)引入該VEX項(xiàng)目，成為我國(guó)每年組織5個(gè)機(jī)器人大賽項(xiàng)目之一，其分為小學(xué)、初中、高中3個(gè)組別。VEX項(xiàng)目每年都會(huì)更換不同的比賽主題與規(guī)則，對(duì)于參賽隊(duì)伍而言，每年的比賽都是新的競(jìng)爭(zhēng)，每個(gè)參賽隊(duì)伍都要根據(jù)新規(guī)則重新設(shè)計(jì)比賽機(jī)器人，每隊(duì)操作兩臺(tái)機(jī)器人采取對(duì)抗的比賽形式，比賽分自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)部分進(jìn)行，對(duì)抗激烈，互動(dòng)性強(qiáng)。

2 VEX競(jìng)技方案

2018年初，學(xué)校為參加中國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽組建了VEX項(xiàng)目競(jìng)技團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)多輪選拔，由于我在初中階段有過(guò)在遼寧省青少年機(jī)器人競(jìng)賽足球機(jī)器人項(xiàng)目銅牌的獲獎(jiǎng)經(jīng)歷，因此順利入選VEX團(tuán)隊(duì)。在半年的時(shí)間里，我們團(tuán)隊(duì)對(duì)VEX項(xiàng)目從陌生到熟悉、再到熟練，從市內(nèi)組織的選拔賽一直進(jìn)軍到省內(nèi)大賽的總決賽，科技創(chuàng)新競(jìng)技項(xiàng)目給予了我們一個(gè)快樂(lè)的成長(zhǎng)過(guò)程，也點(diǎn)燃了我們對(duì)科學(xué)殿堂的向往。下面將介紹在參加2018年中國(guó)青少年機(jī)器人大賽遼寧省賽區(qū)VEX工程挑戰(zhàn)賽中使用的機(jī)器人實(shí)踐方案。

（1）機(jī)器人設(shè)計(jì)功能：根據(jù)本屆競(jìng)賽主題”步步為營(yíng)”和比賽規(guī)則，完成了比賽機(jī)器人應(yīng)有功能設(shè)計(jì)。具體如下：一是可以完成“步步為營(yíng)”項(xiàng)目中規(guī)定的錐筒運(yùn)送任務(wù)的基本操作。二是可以完成抓取小得分錐和大得分錐連續(xù)高效的動(dòng)作，其中使用容錯(cuò)率高的方式完成小得分錐抓取，使用盡可能少的機(jī)械材料來(lái)提升機(jī)器的靈敏性以及傳感器的準(zhǔn)確性。三是改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加橡皮筋股數(shù)和彈勁系數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂更快速的豎直伸縮和水平伸縮。

（2）機(jī)器人概況介紹：機(jī)器人包括無(wú)線連接控制系統(tǒng)、伸縮電機(jī)、鋼制底盤(pán)、抬升機(jī)械臂、光傳感器、連接線等模塊，其零部件包括行電源開(kāi)關(guān)、齒輪、搖控手柄、新型鋰電池、有機(jī)高分子鏈輪、合金框架、備用電線、鋼珠軸承等。搭建過(guò)程，第一步：底盤(pán)定位。將鋼條鋸成適合的長(zhǎng)度并依照大賽要求尺寸固定成矩形底盤(pán)，并用螺絲將輪胎固定于底盤(pán)的四角，最后將電機(jī)安裝于底盤(pán)框架的中心。第二步：抬升系統(tǒng)。以底盤(pán)的鋼制橫梁為基礎(chǔ)，將機(jī)械鋼臂依次連接，并配以連接好的軸承等。第三步：抓取系統(tǒng)。用齒輪和彈力橡皮筋制成兩個(gè)完全相同的圓柱體抓取裝置，將黑色塑料泡沫膜用固定束帶固定在圓柱體上以便增加摩擦，最后用螺絲固定于機(jī)械臂上端。第四步：馬達(dá)組裝。將1～10號(hào)共10個(gè)不同功率的馬達(dá)組裝于機(jī)器人的不同活動(dòng)位置，并將馬達(dá)與特定的電機(jī)接口相連，從而達(dá)到與無(wú)線遙控系統(tǒng)的連接以及自主程序的關(guān)聯(lián)。第五步：編制指令輸入。根據(jù)馬達(dá)接口序號(hào)進(jìn)行程序編輯，輸入相應(yīng)指令。

（3）競(jìng)技策略。影響比賽的各種主客觀因素很多，因此需要我們?cè)诩?xì)節(jié)問(wèn)題分析和處理能力、團(tuán)隊(duì)合作精神等各方面展現(xiàn)出較高素質(zhì)修養(yǎng)，同時(shí)也需要制定好比賽策略。每屆VEX項(xiàng)目競(jìng)賽共同點(diǎn)是通過(guò)同場(chǎng)競(jìng)技的比賽方式?jīng)Q出比賽的優(yōu)勝者，不同點(diǎn)在于比賽主題和規(guī)則、機(jī)器人構(gòu)造、使用功能、比賽得分物品。由于比賽需要在120s內(nèi)分出勝負(fù)，因此，如何在比賽規(guī)定時(shí)間內(nèi)提高本方機(jī)器人拾取得分物品的效率，得到盡可能高的分?jǐn)?shù)，同時(shí)，最大程度限制或破壞對(duì)方得分等內(nèi)容是操作關(guān)鍵。具體操作策略如下。

①分工策略。VEX項(xiàng)目比賽是一個(gè)講究團(tuán)隊(duì)合作分工的項(xiàng)目，只有在平時(shí)隊(duì)員們真正做到各司其職，精誠(chéng)團(tuán)結(jié)，一個(gè)團(tuán)隊(duì)才可能取得最后勝利。筆者在4人組成團(tuán)隊(duì)中擔(dān)任隊(duì)長(zhǎng)角色負(fù)責(zé)全隊(duì)指揮運(yùn)行，具體分工為2人負(fù)責(zé)機(jī)器操作（其中1人為指揮官），1人負(fù)責(zé)程序維護(hù)、1人負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

②操作策略。對(duì)于不同位置得分錐的拾取方式要區(qū)別對(duì)待，機(jī)器人的行走路線原則上是走直（前進(jìn)或后退）不走彎，能平移（左右方向）不轉(zhuǎn)彎，先平移后轉(zhuǎn)彎，經(jīng)過(guò)大量的觀察和反復(fù)練習(xí)之后，決定采用先用自轉(zhuǎn)馬達(dá)完成方向的調(diào)整，再走直線的優(yōu)化方案，從而大大提高了效率。

③戰(zhàn)術(shù)策略。比賽中采用二對(duì)二共4臺(tái)機(jī)器人同場(chǎng)對(duì)抗的競(jìng)賽規(guī)則，由于賽場(chǎng)上的局勢(shì)瞬息萬(wàn)變，如何尋找最優(yōu)的行進(jìn)路線以及如何對(duì)對(duì)方機(jī)器人進(jìn)行有效的干擾是取勝的關(guān)鍵。例如得分區(qū)的順序、機(jī)器人的選位如何選擇才能更加合理高效，以及在面對(duì)特殊情況（如伸縮臂卡頓，橡皮筋斷裂等）時(shí)的應(yīng)急處置能力等。

④自動(dòng)程序處理策略。比賽第一個(gè)環(huán)節(jié)是在前10～20s（具體時(shí)間由雙方隊(duì)長(zhǎng)抽簽決定）運(yùn)行機(jī)器人自動(dòng)程序，這個(gè)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是需要事先根據(jù)比賽要求進(jìn)行程序編寫(xiě)，這就需要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地摩擦等環(huán)境變化及時(shí)調(diào)整各個(gè)參數(shù)，否則一旦時(shí)間、速率等參數(shù)出現(xiàn)誤差，將會(huì)造成機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過(guò)度、前進(jìn)、后退距離不足等各個(gè)方面的問(wèn)題，使得機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行的路徑與理想路徑存在較大的偏差。

3 結(jié)語(yǔ)

青少年科技創(chuàng)新競(jìng)賽是一項(xiàng)融合科學(xué)知識(shí)積累、技術(shù)能力培養(yǎng)、創(chuàng)新探究學(xué)習(xí)為一體的青少年科學(xué)普及活動(dòng)。參加機(jī)器人VEX項(xiàng)目競(jìng)技，讓我提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作和組織能力，充分體會(huì)到競(jìng)技項(xiàng)目的激烈對(duì)抗和驚險(xiǎn)刺激，更讓筆者感受到了科學(xué)實(shí)踐的趣味和自動(dòng)化科技的魅力，不僅提升了自己動(dòng)手動(dòng)腦的能力，能夠在科學(xué)、技術(shù)、工程、物理電學(xué)等不同的角度將學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用，而且將創(chuàng)新構(gòu)想應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)目標(biāo)，激發(fā)了自己學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 孫思皓.VEX世界冠軍（高中組）——贏在搭建[J].數(shù)碼世界，2018（6）：311-312.