環(huán)保機(jī)器人競(jìng)賽流程設(shè)計(jì)實(shí)例

王銀鳳

我從2020年10月8日開(kāi)始了環(huán)保機(jī)器人競(jìng)賽的設(shè)計(jì)探究之旅，在此向大家介紹一下流程，以此引領(lǐng)學(xué)生真正的提升設(shè)計(jì)能力。

一、精心準(zhǔn)備材料、做保障準(zhǔn)備

比如：比賽完整視頻、器材安裝說(shuō)明、器材使用說(shuō)明、比賽詳細(xì)規(guī)則、比賽所用軟件。這些材料準(zhǔn)備妥當(dāng)，還缺什么呢？嗯，機(jī)器人，沒(méi)買(mǎi)教師用機(jī)，找學(xué)生借吧。還有電腦，安裝比賽所用軟件，咦？安裝出錯(cuò)，哎，看來(lái)用了多年的Windows XP要下崗了，重裝了電腦系統(tǒng)，軟件終于能順利安裝了，完美！再找一個(gè)合適的場(chǎng)所，就5樓的空教室吧。好，現(xiàn)在萬(wàn)事俱備，開(kāi)干。

簡(jiǎn)單介紹一下本次機(jī)器人用到的主要部件吧。

外形，小車(chē)的形狀。1個(gè)底盤(pán)，電機(jī)2個(gè)，輪子2個(gè)，與1個(gè)萬(wàn)向輪一起構(gòu)成了機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的一系列動(dòng)作。

主控器1個(gè)，通過(guò)輸入程序?qū)崿F(xiàn)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。

灰度傳感器5個(gè)，灰度傳感器的光線照在場(chǎng)地紙上，通過(guò)接收到反射回來(lái)光線值的大小，判斷灰度傳感器實(shí)時(shí)所處的區(qū)域，結(jié)合輸入程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿線行走，類(lèi)似于機(jī)器人看場(chǎng)地紙時(shí)的眼睛了。

機(jī)械臂1個(gè)，由2個(gè)舵機(jī)，1個(gè)氣泵，加一些結(jié)構(gòu)輔件組成。用來(lái)實(shí)現(xiàn)取放方木塊。

二、認(rèn)真安裝器材、做技術(shù)保障

學(xué)生對(duì)照步驟說(shuō)明自行安裝。安裝完成的機(jī)器人，外表看起來(lái)沒(méi)問(wèn)題，其實(shí)根本無(wú)法完成本次比賽的任務(wù)：用泵吸起方木塊，運(yùn)送到垃圾桶里。哪里有問(wèn)題呢？舵機(jī)的角度。要運(yùn)送方木塊，用到了機(jī)械臂，本項(xiàng)比賽的機(jī)器人的機(jī)械臂，用到了2個(gè)舵機(jī)，通過(guò)搭建的結(jié)構(gòu)輔件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的功能。用到的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度是0～180度。學(xué)生們安裝時(shí)，機(jī)械臂安裝只是形似，沒(méi)有設(shè)置初始角度。我引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)器做了改進(jìn)：2個(gè)舵機(jī)，右側(cè)舵機(jī)接在數(shù)字端口D2上（實(shí)現(xiàn)前后伸展的長(zhǎng)度控制），左側(cè)舵機(jī)接在數(shù)字端口D3上（實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上下伸展的高低控制），在程序中2個(gè)舵機(jī)均設(shè)置為90度，導(dǎo)入主控器后，打開(kāi)主控器電源開(kāi)關(guān)，開(kāi)機(jī)情況下，將右側(cè)舵機(jī)（數(shù)字端口D2）臂豎直安裝，將左側(cè)舵機(jī)（數(shù)字端口D3）動(dòng)力短臂水平安裝，有了初始安裝的角度，就能順暢地實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂前后、上下伸展，輕松實(shí)現(xiàn)想要的伸展長(zhǎng)度、伸展高度。機(jī)械臂的難題解決了，接下來(lái)就是編寫(xiě)程序了。

本次比賽涉及到灰度的黑白檢測(cè)，自動(dòng)程序，遙控程序3個(gè)任務(wù)的切換，需要做一個(gè)切換的程序。利用主控器上有一個(gè)運(yùn)行按鈕，編程，輕松地實(shí)現(xiàn)了3個(gè)程序的自由切換。遙控程序也不難，這里就不詳述了。

三、細(xì)心分析細(xì)節(jié)、做優(yōu)化改進(jìn)

先介紹下自動(dòng)程序的任務(wù)，如圖，右側(cè)的4個(gè)方塊位置比賽現(xiàn)場(chǎng)抽取3個(gè)，放置相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)3色的垃圾桶，左側(cè)u形狀、3個(gè)紅、綠、藍(lán)木塊也是比賽現(xiàn)場(chǎng)抽取放置的位置，其中紅色木塊放置在u形狀的135度位置。紅色原點(diǎn)就是機(jī)器人出發(fā)的位置，這個(gè)位置也是比賽現(xiàn)場(chǎng)抽取的。任務(wù)就是，自行編程將3個(gè)木塊運(yùn)送到相應(yīng)的垃圾桶中，搬運(yùn)不分先后順序。

現(xiàn)以如圖位置為例簡(jiǎn)述，先讓學(xué)生設(shè)計(jì)自己的搬運(yùn)方案，大家一起集思廣益，找出最優(yōu)化的搬運(yùn)方案。最終同學(xué)們一致確定搬運(yùn)順序藍(lán)方塊→綠方塊→紅方塊。

方案確定了，就是編程調(diào)試了。機(jī)器人出發(fā)前，整個(gè)機(jī)器人的豎直投影任何部位不能超出起始區(qū)域，出發(fā)位置放好后，機(jī)器人的灰度處在白色區(qū)域，要想實(shí)現(xiàn)后續(xù)的利用灰度傳感器實(shí)現(xiàn)沿黑線行走，此時(shí)的灰度因看不到任何黑線，無(wú)法識(shí)別運(yùn)行，怎么辦呢？引出問(wèn)題，學(xué)生思考解決方案。

學(xué)生提出，用左右電機(jī)前進(jìn)，延時(shí)合適的時(shí)間，停止。新的問(wèn)題來(lái)了，停止在哪里最合適呢？引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐研究，停在什么位置合適，要看機(jī)器人接下來(lái)做什么動(dòng)作？接下來(lái)是左轉(zhuǎn)。那就試試什么樣的位置能實(shí)現(xiàn)后面完美的左轉(zhuǎn)動(dòng)作，學(xué)生們經(jīng)過(guò)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人車(chē)身約1/3過(guò)黑線后停止（如圖），能完美的完成接下來(lái)的左轉(zhuǎn)動(dòng)作。

在接下來(lái)的走線路中，又遇到了新的問(wèn)題。走邊緣線路時(shí)，依靠左邊或右邊的灰度看路口，而機(jī)器人在巡線的過(guò)程中，很容易停在半途，什么原因呢？我引導(dǎo)學(xué)生思考，是什么原因引起的？參賽學(xué)生集思廣益，終于發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的癥結(jié)所在：機(jī)器人在巡線的過(guò)程中，因機(jī)械原因，2個(gè)輪子給的速度值一樣，但實(shí)際巡線時(shí)會(huì)出現(xiàn)2個(gè)輪子有差速，導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)左側(cè)或右側(cè)灰度在正常的巡線時(shí)遇到黑線。

那怎么改進(jìn)呢？需要尋求解決的方案，學(xué)生們來(lái)問(wèn)我：“老師，怎樣讓這2個(gè)輪子巡線時(shí)，減少2個(gè)輪子的差速？”我沒(méi)有直接告訴他們答案，我需要實(shí)際調(diào)試測(cè)驗(yàn)。接下來(lái)，我試了好多種方案，最終發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是在初始化左右輪的速度時(shí)，可以把跑的過(guò)程中速度過(guò)快的輪子，初始化的時(shí)候，速度慢一點(diǎn)兒。比如：原初始化左電機(jī)100，右電機(jī)-100，巡線過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，右輪速度較快，這時(shí)怎么辦？對(duì)，可以降低右輪子初始化時(shí)的速度值，比如是初始化左電機(jī)100，右電機(jī)-98，具體是多少值合適，需要實(shí)際測(cè)試，測(cè)試的目標(biāo)是，尋求初始化左、右輪怎樣的數(shù)值，機(jī)器人近乎于走直線，盡可能走的直線距離越長(zhǎng)越好。學(xué)生們根據(jù)我的思路，做了調(diào)整，邊緣巡線的問(wèn)題妥善解決。

細(xì)節(jié)問(wèn)題還有，無(wú)論什么問(wèn)題，我們只要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的分析、思考、診斷、改善，問(wèn)題都會(huì)迎刃而解。

經(jīng)過(guò)以上這些調(diào)試、改進(jìn)，基本上容易出現(xiàn)的問(wèn)題都得到了很好解決。在這次比賽的流程學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生們動(dòng)手、動(dòng)腦能力，理論與實(shí)踐相結(jié)合的素養(yǎng)，不畏艱險(xiǎn)、迎難而上的精神，以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)都得到了極大的提升。期待他們?cè)谖磥?lái)人生道路上，自信向上，勇于探究，不管遇到什么困境，勇敢面對(duì)，積極尋求解決的方案，實(shí)現(xiàn)更高的攀登。