超級RBA機器人投籃項目設(shè)計與制作文字報告(研究性學(xué)習(xí)省一等獎)

1、超級RBA機器人投籃項目設(shè)計與制作研究時間：2010.102011.4浙江省嘉興市嘉興高級中學(xué)嘉高機器人俱樂部 高二指導(dǎo)老師：胡元旭組長：林?jǐn)涛醯谝粓?zhí)筆人：鄔黎明小組成員：林?jǐn)涛?鄔黎明 錢佳榮 忻鼎晨 陳家棟 章鑫鑫 馬志成摘要發(fā)揮自己的興趣特長，利用所學(xué)的機器人知識，獨立自主地完成了超級RBA機器人投籃項目的兩個任務(wù)機器人的設(shè)計與制作，并取得了非常好的成果。機器人技術(shù)的發(fā)展，是國際潮流，是計算機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，將來，機器人也必將步入人們的日常工作和生活，進(jìn)入個人機器人（PR）時代。超級RBA機器人投籃項目簡介：制作兩個機器人。傳球機器人在原地負(fù)責(zé)傳球，投籃機器人接球后向籃框方向運動，到達(dá)投

2、籃區(qū)域?qū)⑶蛲哆M(jìn)籃框，然后返回接球，繼續(xù)前往投籃。120秒準(zhǔn)確投入10個球，即得滿分。機器人投籃所用籃球以乒乓球代替。超級RBA機器人投籃項目設(shè)計與制作內(nèi)容摘要：發(fā)揮自己的興趣特長，利用所學(xué)的機器人知識，獨立自主完成了超級RBA機器人投籃項目的任務(wù)機器人設(shè)計與制作，并取得了非常好的成果。機器人技術(shù)的發(fā)展，是國際潮流，計算機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。將來，機器人也必將步入人們的日常工作和生活，進(jìn)入個人機器人（PR）時代。關(guān)鍵詞：機器人投籃 傳球機器人 投籃機器人 設(shè)計 制作 編程 調(diào)試 傳感器上了高中，進(jìn)入嘉興高級中學(xué)學(xué)習(xí)，我們報名加入了嘉高機器人俱樂部。我們了解了機器人跟我們原來理解的不完全一樣，有著更為

3、專業(yè)的定義以及更為廣泛的用途。機器人不一定都像人一樣有手有腳、五官端正，把人類從煩瑣的勞動中解脫出來，是機器人存在的重要使命和意義，機器人更可以代替人類從事一些高危事務(wù)。機器人（robot），總的說來，是一種在程序控制下可以完成一定任務(wù)的機器裝置。目前，國際上從功能上把機器人主要分為三大類：工業(yè)機器人、娛樂機器人和輔助機器人。我們在了解了什么是機器人以及機器人的簡單控制技術(shù)以后，也開始嘗試?yán)媒虒W(xué)用的積木式機器人模塊制作能完成一些簡單動作的任務(wù)型機器人。通常，任務(wù)型機器人的制作按以下流程進(jìn)行：1任務(wù)分解：對任務(wù)進(jìn)行分解，有必要的時候還要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為后續(xù)的機器人搭建、編程提供有力保障。2硬件

4、準(zhǔn)備：按任務(wù)要求選用合適的動作、檢測模塊，并尋找其他輔助材料進(jìn)行機器的硬件制作和搭建。3畫流程圖：按任務(wù)要求在編程前先畫好程序流程圖，以便更快捷、高效地進(jìn)行程序編寫。4編寫程序：在電腦上用指定的機器人編程軟件進(jìn)行程序編寫，內(nèi)容包括硬件端口名稱、參數(shù)變量定義、程序結(jié)構(gòu)流程等。5運行調(diào)試：將寫好的程序通過數(shù)據(jù)下載連接線下載到機器人RCU中，然后在場地上運行。注意觀察細(xì)節(jié)，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行全方位的分析，通過各方面途徑去解決問題。這里可能涉及到場地因素、硬件故障、程序問題等，還有電池的電壓穩(wěn)定也是保障機器人運行穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。一、課題背景在我們掌握了機器人基本控制原理，學(xué)會了一些簡易的模塊化任務(wù)型機器

5、人的制作以后，我們要求參加青少年機器人競賽，通過競賽檢驗自身的水平的同時，也可以進(jìn)一步提升自己的能力，與競賽對手是一種切磋更是一種互相的學(xué)習(xí)。我們參加的比賽項目是超級RBA機器人投籃，場地示意圖如下圖所示?；@框按比賽規(guī)則，我們要制作兩個機器人（傳球機器人、投籃機器人），比賽用球為直徑40cm的乒乓球。傳球機器人在傳球區(qū)不運動，只負(fù)責(zé)在原地向投籃機器人傳球，但必須能一次性存放10個球，并且能夠做到每次向投籃機器人準(zhǔn)確傳出一個球。投籃機器人接到傳出機器人傳出的球后，沿著黑線向投籃區(qū)域運動，要求在指定的投籃區(qū)停止并將球準(zhǔn)確投入籃框。然后，投籃機器人投完球后返回接球區(qū)接球，接到球后，再去投籃，直到10

6、個球全部投完。得分以投進(jìn)的球計算，投進(jìn)一個得100分，沒進(jìn)則為0分。另外，從比賽開始計時，要求在120秒完成10個投籃，超出幾秒扣幾分，提前幾秒扣幾分。在我們詳細(xì)解讀了比賽規(guī)則以后，我們感覺這是非常好玩的一個項目，可以充分發(fā)揮我們的能動性，利用我們的智慧去把這個項目做好。我們想，這個比賽項目的準(zhǔn)備過程，我們有許許多多的問題要去思考，要去解決，不僅要動腦，更得動手去制作，去試驗效果能不能符合要求。這個過程，就是一種研究活動，所以，當(dāng)我們在研究性學(xué)習(xí)活動選題的時候，我們就想到了這一點，把此次比賽項目的籌備過程記錄下來，定為研究性學(xué)習(xí)活動的一個項目設(shè)計課題。二、機器人的設(shè)計與制作（一）基本解決思路根

7、據(jù)以上比賽規(guī)則的解讀，傳球機器人和投籃機器人都需要制作一個拋球機構(gòu)。除此之外，傳球機器人相對簡單，只需達(dá)到以下幾點要求：1-1能一次存放10個乒乓球，所以要做一個儲球裝置。1-2能控制一次只向投籃機器人傳出一個球。這就要設(shè)計一個控制機構(gòu)，還要能感知投籃機器人是否已在接球位置。投籃機器人要在接球區(qū)與投籃區(qū)往返運動，從控制原理上，制作起來相對要復(fù)雜一些，需要達(dá)到以下幾點要求：2-1能循著黑線在接球區(qū)與投籃區(qū)做往返運動，并且能在兩個區(qū)域的指定點位停止。2-2能穩(wěn)定可靠接球的裝置，畢竟傳球機器人傳來的是極富彈性的乒乓球，要避免接球的時候反彈出去。（二）、機器人的設(shè)計有了以上的基本思路，我們開始探討和設(shè)

8、計這兩個任務(wù)型機器人。1拋球機構(gòu)的設(shè)計以上是我們設(shè)計的拋球機構(gòu)示意圖。這個拋球動作有點像高爾夫運動，揮桿擊球的味道。動力輸出來自馬達(dá)，機器人上的馬達(dá)模塊可以通過程序控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度。通過控制馬達(dá)速度及軌道斜度，就可以調(diào)整拋球力量及出球角度，形成準(zhǔn)確的投球拋物線。這樣的拋球機構(gòu)可以利用我們機器人套件里的塑料積木件拼裝而成。示意圖中，還有一個觸碰開關(guān)，用來控制馬達(dá)的停轉(zhuǎn)。2傳球機器人的設(shè)計以上是由儲球裝置、控球機構(gòu)及拋球機構(gòu)三部分組成的傳球機器人示意圖。乒乓球在具有一定傾斜度的裝置內(nèi)由于重力作用，可以自由向下依次滾動。為了能準(zhǔn)確控制每次傳出一個球，在儲球裝置上配置了一個相對巧妙的控球機構(gòu)，由一個伺

9、服馬達(dá)（注解：伺服馬達(dá)即伺服電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確。）和一個積木件所組成。3機器人的循線運動灰度傳感器工作原理介紹：灰度傳感器也叫黑標(biāo)，由成對的發(fā)光元件、檢測元件所組成。場地表面顏色由深到淺，反光增強，檢測返回值增大。機器人不像人類可以通過眼睛直接觀察和區(qū)分顏色。在這里，灰度傳感器充當(dāng)了機器人的視覺器官。只不過，通過灰度傳感器，機器人感知到的還只是個黑白的世界。通過程序上的參數(shù)設(shè)定，機器人能對深、淺有一定區(qū)分的不同顏色做出響應(yīng)。 憑借著灰度傳感器的參數(shù)變化，機器人在程序控制下可以通過對馬達(dá)狀態(tài)

10、的控制調(diào)整，實現(xiàn)循著黑線做出相應(yīng)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止動作。4投籃機器人的接球設(shè)計以上是投籃機器人接球裝置與拋球裝置組合一起的示意圖。利用具有緩沖作用的材料防止乒乓球反彈，然后，乒乓球落進(jìn)軌道滾落到拋球裝置內(nèi)。把以上部件組合起來，就構(gòu)成了一個大體完整的投籃機器人。至此，超級RBA機器人投籃項目的設(shè)計工作基本完成。接下去，就是我們尋找材料進(jìn)行加工制作的環(huán)節(jié)了。因為是臨時制作，而且量少，就做一、兩套，所以，這種任務(wù)型的簡單機器人，很多都得我們自尋材料手工設(shè)計和制作，無法利用模具進(jìn)行批量生產(chǎn)。不過，相信我們自己的堅持與毅力，能夠完成此項任務(wù)。（三）機器人的制作有了上面的設(shè)計藍(lán)圖，方便了我們機器人的

11、制作，大大提高了我們制作環(huán)節(jié)的效率。我們走出校門，去尋找各種材料進(jìn)行嘗試制作，比如塑料、鐵皮、布料、海綿等等，也找到了一些加工點，讓他們按我們的設(shè)計方案，幫我們制作部分裝置。制作完成的傳球機器人 制作完成的投籃機器人以上就是我們制作完成的兩個簡單的任務(wù)型機器人。機器人主要由三部分組成，RCU（機器人的神經(jīng)中樞），動作模塊（機器人的動作器官），檢測模塊（機器人的感覺器官）。我們把所需的模塊都組合安裝在了一起，就完成了機器人的硬件搭建。兩個機器人之間的傳、接球配合，通過紅外線來控制。機器人的一體紅外傳感器模塊，由紅外發(fā)射元件、紅外檢測元件成對組成。在傳球機器人上安裝一個一體紅外模塊，方向指向接球區(qū)

12、，調(diào)整好發(fā)射強度，當(dāng)投籃機器人返回到接球區(qū)的時候，投籃機器人的側(cè)面反射了紅外線，傳球機器人接收到信號，立即將球傳給投籃機器人。（四）編程與調(diào)試在開始編程之前，我們先畫好了程序流程圖，這樣可以方便程序編寫，提高編程效率。有了程序流程圖的框架，在程序編寫的環(huán)節(jié)，我們只需再對機器人硬件模塊進(jìn)行端口設(shè)置、變量定義、參數(shù)設(shè)置等工作，其它按流程圖的框架按序編寫就可以了。算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序，在機器人的圖形化編程中，相對簡化了編程的難度，只要理解編程的順序、選擇、循環(huán)這三種結(jié)構(gòu)，外加機器人控制的基本原理就可以進(jìn)行編程設(shè)計了。這里順帶說明一下，我們對比賽規(guī)則要求的120秒投完10個球的應(yīng)對策略。這個主要從程序

13、上進(jìn)行解決，前面9個球，以正常穩(wěn)定的速度去完成，到最后一個球的時候，投籃機器人停在投籃區(qū)等待時間，接近120秒計時的時候，再把球拋出去。以上圖片，是我們利用機器人編程軟件（機器人快車）編寫好的程序以及將編譯好的程序下載到機器人的RCU中。以上圖片，是我們在比賽場地上，進(jìn)行機器人的調(diào)試，遇到問題從多個角度找原因：程序編寫的問題、硬件設(shè)計的問題、環(huán)境因素的問題、電池電量的問題等等。通過反復(fù)的調(diào)試，遇到問題查找原因調(diào)整修正繼續(xù)調(diào)試，這樣的循環(huán)反復(fù)過程，我們終于制作完成了可以穩(wěn)定完成超極RBA機器人投籃項目的一對傳球、投籃機器人。此時，成功的喜悅抹去了我們在設(shè)計、制作過程中一路相隨的摸索的艱辛與枯燥的

14、煎熬，憑著我們的毅力堅持著一份對成功的執(zhí)著期待，我們終于成功了！帶著悉心制作完成的這一對機器人，我們在第八屆浙江省青少年電腦機器人競賽活動中力拔頭籌，以滿分的成績獲得了超級RBA機器人投籃比賽第一名。三、課題小結(jié)機器人，在我們沒有自己親自動手制作之前，仍還只是一種概念。而現(xiàn)在，我們通過研究性學(xué)習(xí)活動，針對機器人的制作展開了進(jìn)行了專題研究，從設(shè)計、制作，到編程、控制，以及調(diào)試，全方位整理和了解了機器人控制原理和技術(shù)。實踐也證明了我們的執(zhí)著努力獲取了成功，我們體驗了設(shè)計開發(fā)的過程，也收獲了成功的喜悅！通過研究性學(xué)習(xí)活動，我們體會到了團(tuán)隊合作的力量，也形成了團(tuán)隊協(xié)作的意識。同時，也培養(yǎng)了我們科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的科學(xué)精神，形成了我們良好的科學(xué)素養(yǎng)，不懈怠、不盲從的精神，去實踐、去創(chuàng)新的努力，困難面前不低頭，成功時刻不自滿，一種對科學(xué)創(chuàng)新永