VEX世界冠軍（高中組）
——贏在搭建

孫思皓 北京工大附中高二.一班

學校開展機器人社團，深知學習機器人重要性的我積極參加了，于是也就開始了VEX機器人學習生活，女孩子學智能機器人可謂是“欲渡黃河冰塞川，將登太行雪滿山”苦不堪言，要想學懂且再搭建個參賽的機器人就更是“蜀道之難，難于上青天”。一年半的期間利用了所有能利用的時間進行學習，走著、坐著、躺著、睡著滿腦子都是機器人。編程設(shè)計時就得把自己當成一名計算機行家，深挖腦洞的展開抽象思維;動手搭建時完全就是車間工人，動作要沉穩(wěn)和精準;調(diào)試時完全就是一名維修工程師，練出慧眼識珠的本領(lǐng)來找錯、糾錯;操盤時就像個賽車手，沉著穩(wěn)定達到知己知彼百戰(zhàn)不殆。足不出戶極大的鍛煉了我的想象能力、動手能力、心理素質(zhì)及全身心投入的專注力，稱得上是課本之外的別有一翻風味的學習歷練之旅。學校的這一社團學習過程拓展了我們學生對科學、技術(shù)、工程和數(shù)學領(lǐng)域的興趣，激發(fā)了我們的科技潛能，提高并促進我們的團隊合作精神、領(lǐng)導才能和解決問題能力，也成就了我們的科技創(chuàng)新夢想！

誠然，剛?cè)腴T時，老師會給講一些基礎(chǔ)和理論，也要學習幾周機器人的理論知識和學習它的重要意義，最重要的是我的老師是教歷史的機器人老師，真的是從歷史長河的角度挖掘出每位學生的興趣和積極性，邊理論邊實踐，還時常用描述賽場的激烈場面和駕馭機器人打敗對手的無人超躍感，把我們每位學生的積極拉到了頂峰，于是在王老師的代領(lǐng)下，按大賽的要求設(shè)計編程，然后精心搭建，再反復調(diào)試，達到大賽的標準能夠自動程序控制，又能通過遙控制在特定區(qū)場地進行特定的賽程，最后披星戴月的訓練達到熟能生巧的地步去參賽。

我們團隊先后參加市賽、大區(qū)賽、國賽、亞洲賽、世界錦標賽9場，分別獲得過北京市科協(xié)會朝陽區(qū)二等獎和一等獎，北京市教委VEX智能機器人大賽高中組第一名，全國VEX智能機器人大賽高中組銀獎，亞太區(qū)VEX智能機器人大賽高中組金獎，最后在全球1400支隊伍中，突破資格賽、復賽、以分區(qū)冠軍進入總決賽，最終“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金”的奪得2017年機器人世界錦標賽高中組總冠軍好成績。回想全程，我們在團隊協(xié)作下還是贏在搭建的機器人穩(wěn)定性好。

最初只是在電視和展櫥中見過機器人，對它的全部構(gòu)造并不詳知，感覺和人一樣吧，具有智能的大腦和五腹六臟，外殼和靈活的四肢。當懷著一顆好奇心走進實驗室時，由陌生到熟悉，幾周后就由衷的喜歡了，也就有了以下一起成長的過程。機器人有這么幾大部份1、主控系統(tǒng)、2、電機、3底盤、4遙控系統(tǒng)、5防摔系統(tǒng)、6連接線和操作部件、7顯視模塊。下面用圖文并茂的方式介紹一下2017年我們設(shè)計的機器人的搭建過程。

1 概要介紹

其零部件有主控器、雙向編碼器、角度傳感器、探照器、超聲及光敏傳感器、行程及電源開關(guān)、齒輪、馬達、加強履帶、鏈輪、腿輪、萬向輪、蝸輪架、單雙向電氣泵、伺服器、信號分頻器、晶振、適配器、遙控器、自組螺絲、差速及齒條架、多種金屬件、扎帶、電池、充電裝置、長角鋼條、鋼絲、鋼片、螺絲、螺母、電源纜、電絲各種專用輪、軸承、鎖板等零部件組裝而成。

所用到的工具有大小粗細不等多個內(nèi)外六角L型扳手，一型扳手、鋼鋸、各種鉗子、電焊、工具剪及刀、垂子、改錐、平衡器、萬用表。

2 機器人搭建

步驟1底盤定位

方法：將平面鋼條與長角鋼因定在一起，像搭個板凳面一樣的固定個穩(wěn)固的四方型底座，得有加固設(shè)施和安裝四個雙方輪的框架。

步驟2組裝馬達

馬達外側(cè)裝軸承，必須將軸固定防止脫落，四個輪要套入四方軸中固定好，普通的機器人是四個輪子，我們搭建的機器人增加到六個輪子，穩(wěn)固性會更好，不會輕易摔倒。參賽時在四邊安裝萬向輪就更靈活了。

步驟3 抬升系統(tǒng)

將兩根方形架組裝到底座上，同時在底盤上裝兩組可申縮的背梁，在組裝兩根長角鋼到方形架上，這樣就構(gòu)成了夾球裝置的支撐臂，支撐臂的兩側(cè)兩組可申縮的抬升系統(tǒng)。

步驟4 抬升系統(tǒng)加固

在長角鋼與方形架、方形架與方形架之間在連接方形架，對抬升部分的支撐裝置進行加固，同時還要注意抬升系統(tǒng)的靈活性，才不影響機器人運行時的執(zhí)行速度及萬向的靈活性能。

VEX世界冠軍頒獎現(xiàn)場（左三是作者本人） （圖1）

步驟5 抬升系統(tǒng)電機安裝

組裝抬升裝置的驅(qū)動馬達，馬達距離豎著的長角鋼頂端固定好，連接線要固定好并留有足夠的長度，防止障礙物纏繞機器人運行。

步驟6軸承片安裝

將軸承片裝到抬升裝置的長角鋼的頂端，注意軸承的方向性及靈活性。如下圖2：

步驟7組裝齒輪

這里的四方軸可以用3"的四方軸，最好是用12"四方軸切割到剛好能連接到兩個馬達的位置，這樣可使兩個馬達，動力會加強更穩(wěn)固。

步驟8組裝抬升手臂

夾球裝置的支撐臂兩側(cè)組裝兩組可申縮的抬升手臂，組裝時要注意抬升的角度及范圍，同時用多種螺絲固定好，使得機器人運行時達到手臂動作穩(wěn)并準的程度。

步驟9夾持裝置電機安裝

將兩根方形架和兩根短角鋼上裝上軸承片和馬達，在組裝到一起，組成一個四方形，這樣構(gòu)成夾子的支撐部分及動力部分，安裝的同時要注意電源線的固定角度和緊固性，防止機器人運行時電機物理故障。

步驟10夾持裝置

組裝夾物的夾子，兩邊需相互對稱，要注意角度及夾持的穩(wěn)固性。如圖2：將夾子組裝到第5步的支撐架上，穿過齒輪的軸需用最長的四方軸來切割而成組裝，取出得分物裝置9將取得分物裝置組裝到9步中。

步驟11 控制器，接收器

將控制器和接收器組裝到機器人底座上，用螺絲固定好，同時加防護外架，防止運行時摔脫。

步驟12 馬達連線、布線

將馬達連接到控制器上，這樣就完成整個機器人的組裝，如圖2

搭建中的參賽機器人（圖2）

機器人程序設(shè)計

程序“下載”：如何讓機器人懂得程序語言

將程序下載到控制器，如是晶體遙控則需確保連接好接收器并插好了晶體，如是WiFi 遙控則需確保主控與遙控對好碼，然后就可控制機器人了，如果發(fā)現(xiàn)某個或某些馬達的轉(zhuǎn)動方向操作起來不習慣可點開遙控模塊，將反方向打鉤即可改變馬達的轉(zhuǎn)動方向，再反復實驗程序，修改程序。達到所設(shè)計程序與搭建完美結(jié)合。

傳感器：機器人的“五官”

機器人在實際比賽及運用中，為實現(xiàn)智能化及自動化控制，配置了各類傳感器對信息進行采樣及處理，以助于機器人的自動判斷。

觸碰傳感器：有效阻止抬升系統(tǒng)的過降、過升問題，使機器人的操控變得易上手，更加人性化。

光敏傳感器：通過灰度檢測比賽場地的白線，再程序中加入相應的反映機制以及判斷條件，以矯正機器人的行進路線，相當于機器人的“眼睛”。使機器人有能力自主尋線行進，完成比賽任務。對機器人的穩(wěn)定性能有很大的幫助。

陀螺儀傳感器：在一水平面上檢測機器人偏離的角度，以此求得機器人轉(zhuǎn)過的一個定角，使機器人的轉(zhuǎn)向方向精準程度提高，以安排更為復雜的程序路線。在對信息的采樣中，我們采用算法去除了異常值以及傳感器自身的偏差值，以提高陀螺儀的效用及準確度。

控制算法設(shè)計

為了對機器人進行精確控制，我們不但適配了合理的傳感器，同時采用多種控制算法相結(jié)合的策略，以達到準度、速度的雙重標準，提高機器人的競爭力。

多線程控制算法是我們采用的其中之一算法，用以解決不同馬達需同時接受控制的問題。我們的不同系統(tǒng)被置于不同的線程，在每一個相同時間片進行控制。并允許我們自定義許多同步進行的操作，即在抬升系統(tǒng)運作的同時，底盤馬達同時亦可運作，以達到各個系統(tǒng)間的兼容。

一鍵控制被用于一鍵完成一系列操作。即類似于自定義宏操作，將一個系列的操作組合起來，使比賽過程中機器人表現(xiàn)的更為智能。如夾持系統(tǒng)即與抬升系統(tǒng)有一鍵的聯(lián)動。令整個操作的體驗更為人性化，體現(xiàn)程序設(shè)計的優(yōu)越性。

比例-積分-微分控制在工業(yè)上被廣泛應用，我們亦采用該算法進行專項控制。如抬升系統(tǒng)的位置維持，機器人前進固定距離，夾持系統(tǒng)的牢靠程度等，均采用了該算法。

3 總結(jié)

我們搭建的機器人通過我們防摔裝置、手臂托物裝置和6輪的穩(wěn)與主機良好的銜接，具有穩(wěn)定性強的特點。