竞赛机器人的设计与实现

竞赛机器人的设计与实现
邓知辉罗坚
湖南信息职业技术学院信息工程系
高职组“中科”杯机器人技术应用比赛一等奖
（湖南信息职业技术学院 教务处，湖南长沙 410200）这款机器人设计是模拟了建造高铁工作过程、实现工件的自动识别、抓取、运输和投放功能。

机器人的设计与制造思路，通过这次高职组“中科”杯机器人技术应用比赛，对我们的设计的机器人的可行性、稳定性及其控制精度等进行了验证。

竞赛任务分析
我们设计的机器人在大赛组委会指定的机器人平台上，根据大赛任务要求，进一步设计制作各种抓取、投放机构，利用机器人平台提供的主控制板和编程算法实现整体机器人的控制。

使机器人在比赛场地（如图1所示）中完成以高铁建设比赛任务。

图1 场地立体图
硬件设计与制作
1.机器人平台分析请加上对比赛平台的具体说明。

平台分为A、B两种类型，A类型包括1台自动机器人平台和1台手动机器人平台；B类型包括2台自动机器人平台和1台手动机器人平台，构成如图2所示。

图2 机器人平台的总体构成图
手动机器人平台RT-M100配备了2个24VDC、150转/分、70W功率的直流减速电机以及主处理器控制板、电机驱动板；并提供了测试用机器人基本控制程序和方法。

系统组成框图如图3所示。

传感器
图3 手动机器人平台控制系统组成框图
自动机器人平台CRT-A100配备了2个24VDC、150转/分、70W功率的直流减速电机以及16路寻线传感器、寻线传感器信号处理板、处理器控制板、电机驱动板；并提供了测试用机器人寻线算法以及控制程序，可以依靠地面白色引导线实现在比赛场地全场范围内的运动、定位；处理器控制板提供了较充足的I/O接口，可以供参赛队使用。

组成框图如图4所示。

近或超声
传感器
图4 自动机器人平台控制系统组成框图
根据大赛任务要求，要完成机器人的各种抓取、投放机构上部机构设计与制作。

那么，我们在考虑到能满足完成任务的同时，其机械结构和电路控制必须做到简单、稳定和高效。

2.手动机器人设计缺少设计方案的具体阐述
手动机器人要求在提供的基础平台上，设计相关机构能从竞赛场地上拾球并将球放入1分桥墩。

根据思路分析，主要需设计收球、存球、提升、放球及攻击对方用的扫
球等机构，并编写相应控制程序通过有线手柄对整个机器人的运动方向、速度和控球操作等各方面进行控制和协调。

经过多次方案设计和对比，最终采用如图5所示设计思路。

本方案收球采取直流电机带动皮带转动将球收入，并通过皮带传送可直接大角度将球提升至需要高度进行存放。

因手动机器人要求操作速度要快，故存球数量要求不高，仅需存放分量几个即可，这样还可减省设计难度。

所以存球机构只需利用收球后球的自然运动路径即可满足需要。

放球机构是采用了两个舵机进行协调，速度快、计数准，舵机放行后的球通过漏球机构直接放置。

同时漏球机构设计成可上长升和下降，下降后可通过对机器人的左右摆动可将对方的球扫出桥墩，上升后又可放平进行放球。

整个设计思路简单，其控制方式可靠、性能稳定、收球、传球和放球速度快。

收球机构
放球\扫球机构
存球机构
舵机\电机控制电路
图5 手动机器人实物图
3．自动机器人设计 本队设计方案的阐述
自动机器人是竞赛的核心，因其任务分数高，更是竞赛成败的关键。

其与手动机器人不同，自动机器人主要需设计存球、放球、攻击对方用的扫球、颜色识别和桥墩定位等机构，通过编写相应控制程序能自动控制机器人的运动方向、速度、放球和扫球操作等，同时能对桥墩进行定位，并判断桥墩的球是否放满，桥墩顶上的球颜色识别等各方面进行控制和协调。

存球机构直接使用油烟机的排风管，它即可根据存放数量随机拉长或缩短，又可随意进行弯曲，且球体在内只需很小角度即可
自由传送，无需控制、方法简单、运行可靠，完全满足要求。

放球机构与自动机器人相近是采用了两个舵机进行协调，速度快、计数准，舵机放行后的球通过漏球机构直接放置。

扫球机构是直接采用一个舵机带动一个半圆环铝片直接将将接出桥墩，同也作为放置1分和2分桥墩时对球进行栏护，使其放球精度更高。

定位机器采用两个碰撞和一个光电传感器双重定位，当两个碰撞传感器同时作用或一个碰撞和光电传感器在作用时即进行放球，否则进行调整，此设计方案即提高了精度，又节省了大量调整时间。

因赛场是两个队比赛，球体颜色只有红蓝两种，颜色识别也只需判别有无和红蓝即可，所以为简化电路及控制程序，此处采用光电传感器，可方便判断有无，也可根据反射光线强度判别红蓝，需多种颜色判别时不精准，但用于判别红蓝两种是完全没有误差。

上述设计实体如图6所示,此思路是经过近两个月N 次实验和简化后的所采用的最终竞赛方案，其电路简单、控制容易、运行可靠、精度高。

存球机构
传感器检测放球机构定位机构
扫球机构
图6 自动机器人实物图
控制系统程序设计 1．策略分析
机器人的路径规划是关乎策略成败的
关键。

良好的路径规划不仅可以极大提高速度，同时还可以避免与对方和已方机器人出现撞击而影响整个竞赛成绩。

图7和图8分别是B 方案（一台手动、两台自动机器人）的预赛和决赛路径规划图。

手动机器人行走路线自动机器人行走路线
1号自动机器人行走路线
2号
图7 机器人预赛路径规划图
手动机器人行走路线自动机器人行走路线
1号自动机器人行走路线
2号
图8 机器人决赛路径规划图
经过不断调试，在不考虑对手的情况下，采用次路径规划在校内调试时最快预赛25秒内可完成，决赛最20秒内即可完成。

2．主程序流程图
根据硬件结构和路径规划等方面，对机器人进行编程，控制机器人快速按照规定路线进行并完成巡迹、定位、检测、放球等功能。

图9、图10分别为手动机器人和自动机器人主程序流程图。

图9 手动机器人程序流程图
图10 自动机器人程序流程图
竞赛结果分析
1．取得成绩
赛项共有来自全国的71支代表队参加，经过两天紧张调试和多轮角逐，本队以超稳定的优势，预赛两轮均四十秒左右完成，决赛两轮均以全场最快速度建成了高铁，获得了一等奖，且为全场最高分。

说明获得一等奖的经验，场上比赛中的经验。

或者占指导老师角度对学生指导的经验。

优秀的成绩我们有些许激动，但也是在我们的意料之中。

因我们的投入和我们的付出，我们坚信我们一定会成功。

作为指导教师，我希望所带的两个队均能取得优异的成绩，但另一队却以1秒之差无缘决赛。

对此，
我们也喜忧参半。

总结两队比赛情况，我认为：首先，投入和付出是基础，不仅是时间、精力，也不仅是学生、指导教师，同时更包
括各级领导积极参与、关心和帮助；其次，指导教师的指导是成败的核心，见识和课程到实践的溶合是学生目前不可能完成跨越的，但竞赛离不开；第三，优秀的学生是成败的关键，优秀学生，不仅包括专业基本功、见识面，还包括交际能力、现场发挥能力和应变能力等。

相对该队，我们另一队选手就只差交际、现场发挥和应变能力。

2．参赛收获
（1）为教改提供了新的思路和参考
通过竞赛进一步促进机器人相关类专业的教学内容与教学方法改革，深化校企合作，引导专业教学改革和专业方向调整，以适应产业快速发展的需要。

技能竞赛也反映了学生的个人素质、工作效率和团队意识，培养了学生的团队协作能力、工作计划性与时间管理能力、理解分析能力等各项能力。

同时使我们进一步明确了行业与国家管理部门对高职院校的要求与期望，也为学院高职教学改革指明了方向。

（2）促进与外界相同领域的交流
竞赛过程本身就是一个相互学习、相互交流的过程。

此次全国机器人竞赛，与全省、乃至全国学界和业界人士进行广泛而深入交流。

在交流中学习，在学习中不断进步。

（3）对专业教师提出了更高的要求
在竞赛现场，来自全国的71个队伍，在机器人的结构设计、控制方法和手段、路径规划等方面各显身手。

赛场中不乏优良的机械设计方案、也不乏良好的策略，许多东西都是值得我们学习的。

通过本次竞赛，教师对高职人才培养方式改革、职业技能的培养有了更深、更广的认识，将推动教师加强学习，并通过外出培训提高教师的理念水平和实践能力，使骨干教师真正具有企业工程师的实践能力，对实践中涉及到的一线理论知识能够真正掌握，达到企业高级讲师或资深工程师的教学水平。

（4）培养了学生的综合能力
职业技能竞赛不仅需要学生过硬的技术，还需要相应的综合能力。

通过竞赛过程中的组织、协调、演练和交流等环节，锻炼了学生的语言表达能力、组织协调能力和团队协作能力。

这恰恰是职业院校培养“一技之长+综合素质”的人才培养目标的初衷，对学生今后的就业和工作将有很大的帮助。

（5）激发了学生学习兴趣
高职学生大部分都来自此前教育阶段中成绩较差、升学无望者。

在传统观念中，他们是“失败者”，但实际上他们绝非是智力和能力不足。

通过参与竞赛能够更好地调动和激发学生的学习兴趣，让他们在竞赛项目中增强自信，同时锻炼他们承受竞赛压力和挑战的心理能力。

使学生明确自己的学习目的和学习任务，可以增加学习的效率，提高学生的自主学习动机。