一种FTC竞赛机器人的设计和组装

山东省泰安市第一中学 郑青斐

一种FTC竞赛机器人的设计和组装

山东省泰安市第一中学 郑青斐

作为高度自动化和智能化的机器，机器人是现在、也是未来科技发展的重要增长点，对青少年进行机器人科学教育有助于提高学生的创新意识和科学实践能力。本论文作者以参加FTC青少年机器人科技挑战赛的参赛经历为基础，对一种基于“剪叉”式抬升装置和高度传感器相配合的扫球机器人的设计与组装进行了详细阐述，并对中学生参加机器人竞赛等科技创新活动提出了自己的思考。

机器人；FTC科技挑战赛；剪叉式抬升；设计与组装

作为一种高度自动化和智能化的机器，机器人在人类各个领域的重要作用毋庸置疑，机器人科学技术的发展也一直是衡量一个国家科技力量的重要指标。机器人科学综合性很强，涉及物理、数学和计算机科学等，要求制作者不但要掌握机器人的搭建方法，根据任务设计相应的方案，编写程序，还要了解各种器材的具体使用方法和原理，懂得马达、导线等电子元件的性能等，对制作者的综合素质、科学知识、随机应变的能力和团队精神都有较高的要求。因此，机器人教育与实践能极大地提高中学生的科学素养和学习积极性。

FTC科技挑战赛就是这样一种非常有意义的机器人赛事，其全称为“First Tech Challenge”，意为最高科技挑战赛，是由美国一种非盈利机构FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology，为了科学、技术的灵感和认知)组织主办，面向14-18岁高中生，是国际最大青少年机器人赛事。该赛事给学生提供了一个科技平台，把课堂上的科技概念运用到现实工程问题的解决中。该赛事自2012年由同济大学引入中国以来，现已在国内举办四届，对我国中学生的创新思维能力和实践动手能力都有极大的影响，本文作者有幸参加了2015届FTC华北地区挑战赛，本论文就是在参赛经历的基础上对竞赛机器人的设计和组装进行的思考。

1 2015年FTC机器人竞赛主题与任务

2015FTC的比赛主题是连锁效应（Cascade Effect），队伍通过放置塑料球（分大球和小球）到一个中央结构上的各个球筐里，或把球放到大小不同的移动球筐里，获得比对抗联盟更高的分数。比赛分为两个阶段：自动和手动。

自动运行阶段：比赛开始的30秒为自动运行阶段，机器人只能通过预先设置的程序运行。在自动运行阶段开始前，旋转中心结构到一个方位（共三个方位）。机器人可以完成以下任务得分，包括把自动运行阶段的球放到滚动球门和/或中心球门里，机器人驶离平台，撞翻支架（并释放球到比赛场地上），移动他们的滚动球门到联盟的驻停区。手动运行阶段：手动运行阶段为两分钟，机器人的任务是收集球，并放在滚动球门里。滚动球门里的球是以球管道的长度和球高度（比赛结束后）为基础计算得分的。

比赛结尾阶段：手动运行阶段的最后30秒叫做比赛结尾阶段。比赛结段，机器人可能进球到中心球门和滚动球门里。比赛结束时，机器人和滚动球门不接触地面，以及移动滚动球门和/或机器人到联盟驻停区里，队伍可获得加分。（赛细则来自FTC赛事网）

2 基于“剪叉”式抬升和高度传感器配合的机器人设计与组装

2015届FTC竞赛开始后，我们首先组建了一支八人团队，四人负责机器人搭建，二人负责编写程序，二人为操作手。然后，我们研究了2015FTC竞赛任务，就是将地面上无规律放置的的小球分别放入30cm、60cm、90cm、120cm高的桶中，目标明确，为单一项目竞赛。能完成这一项目的最理想机器人形式当属四轮小车铲式扫球机器人。但要想在众多队伍中胜出，只有单一功能的小车是不能有效得分的，所以依旧是效率与功能多样化的统一，这也是当今科技发展的方向。

确定好研究方向后，就是具体设计和构建的问题，总体考虑是必须的。从刚开始的底盘搭建就要考虑到最后线路的排布——一共需要几个马达、需要几个伺服、需要怎样安放电池和NXT等。这些都必须提前规划好，同时要考虑如何将球放进桶里最高效。这个环节可以分为收集小球和放球两个环节，当然也可将小球直接传送到桶里。球自然是扫起来比较顺手，而将球抬升至不同的高度就是比较难的问题了。这里我们采取的是“剪叉”式抬升和高度传感配合的方法。这样，齿条和链条因摩擦太大或高度限制等因素就可排除了，还有种齿轮绞和的方案，但是高度调整不便、重心不稳都是问题，故而不如剪叉装置更有效。现在高度不是问题了，而扫球装置的效率和抬升装置的配合不好解决。作为少数使用T件的我们队是看中T件的强力马达，但由于我们使用的是T件零件上种类太少只能用M件弥补（MATRIX件和TATRIX件的螺母不好区分比较愁人）。扫球装置使用的是类似机械臂的装置，但T马达功率太大机械臂落地时会对马达造成伤害（我们曾损坏了两个马达），所以最后需要加缓冲以减小冲力。最后程序编写用的是robot view和robot c，连锁程序是编到一个手柄上，这样更方便操作。

3 对中学生参加类似科技竞赛活动的几点建议

在上述竞赛活动中，本文作者负责搭建机器人，搭建组需要对整体方案十分熟悉，并要积极思考各种改进措施以配合编写程序。同时务必保证搭建出来的机器人十分牢固，掉螺丝、掉轮子的情况绝对不能在比赛时发生，搭建组成员必须像保姆一样对机器人从头到尾进行维护。至于程序员最好是一组编自动一组编手动，当然最好是能够有一个人全权负责。最重要的是要有一个好的PM（Program manager），项目负责人，能够全局把握，统筹安排，及时解决遇到的问题和困难。我们团队成员个人能力都很强，就是因为个别人缺少团队精神，遇到困难就退缩，结果导致我们团队只获得了华北赛区第三名的成绩。但是，机器人科学将会是我们永远的追求。也衷心祝愿FTC越办越好。

[1]陈丽娟.浅析机器人制作对培养大学生创新能力的影响[J].电子世界,2014(18):413.

[2]苏云山.开展丰富多彩的科技活动 提高中学生的科学素养[J].科技咨询,2012(11):39.

[3]周德炎.中学机器人教学问题探析[J].中国教育信息化,2012(11):21-23.

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

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

郑青斐（1998—），山东泰安人，现就读于泰安一中，曾获得2015FTC科技大赛华北赛区三等奖和中国电子学会第二届全国青少年创新智能大赛最佳作品奖和最佳设计体验奖。