依托全國大學(xué)生機(jī)器人大賽培養(yǎng)高職學(xué)生科技創(chuàng)新能力

王云飛，張凱，劉冰潔

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，451460）

0 引言

全國大學(xué)生機(jī)器人大賽 Robotac 是中國原創(chuàng)的國家級機(jī)器人科技競技賽事。Robotac的含義是ROBOT（機(jī)器人）+TACTIC（策略、戰(zhàn)略)。 賽事秉承教育宗旨、創(chuàng)客實(shí)踐精神，融合了電競游戲的特點(diǎn)，以科技創(chuàng)新實(shí)踐為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)配合為策略，強(qiáng)化機(jī)器人對抗競技的特點(diǎn)，讓機(jī)器人科技競技賽事具有科普性和娛樂性 。全國Robotac機(jī)器人大賽的表現(xiàn)形式是以類似電競游戲中的MOBA類游戲形式展示，比賽過程是雙方機(jī)器人對抗的過程，觀賞性極強(qiáng)，對參賽團(tuán)隊(duì)的操作能力、反應(yīng)能力、團(tuán)隊(duì)配合能力、以及心理素質(zhì)有著相當(dāng)高質(zhì)量的考驗(yàn)。

圖1

1 全國大學(xué)生機(jī)器人大賽RoboTac

全國大學(xué)生機(jī)器人大賽Robotac對抗賽是將熱門游戲與機(jī)器人比賽相結(jié)合，賽制規(guī)則簡單。通過比賽，為青年大學(xué)生提供一個(gè)競技平臺，激發(fā)參賽學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流合作；提升參賽人員的科技知識水平，推動全國高校教育實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐團(tuán)隊(duì)及平臺的建設(shè)；促進(jìn)機(jī)器人科學(xué)技術(shù)知識的推廣普及，推動機(jī)器人學(xué)科和專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展與改革；加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研討和培訓(xùn)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，推動技術(shù)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化，為中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)培育人才。Robotac賽事的目的就是喚起以競技為核心的比賽精神，激發(fā)學(xué)生的想象力、增強(qiáng)動手實(shí)踐能力、心理素質(zhì)以及團(tuán)隊(duì)合作精神。

圖2

“鐵甲鋼拳，接觸對抗”，ROBOTAC賽事將網(wǎng)絡(luò)游戲與機(jī)器人比賽相結(jié)合，規(guī)則靈活。 在符合規(guī)則的前提下，參賽選手可以自行設(shè)計(jì)如車型、人型及多樣仿生型機(jī)器人（如“車型機(jī)器人”、“人形機(jī)器人”、“仿生機(jī)器人”等）、設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 場地分為上中下三路和雙方高地，每一條道路都設(shè)置有不同的地形和障礙，參賽隊(duì)伍根據(jù)場地特點(diǎn)，有針對性的制作調(diào)試機(jī)器人來適應(yīng)不同的道路。 比賽中雙方機(jī)器人軍團(tuán)通過直接接觸對方機(jī)器人或者攻擊對方基地堡壘得分。就是這看上去并不復(fù)雜的比賽規(guī)則，讓每一個(gè)參賽隊(duì)伍都潛心研究、晝夜創(chuàng)作。

2 從零基礎(chǔ)開始制作機(jī)器人

2018年7月15 日，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)器人科技創(chuàng)新協(xié)會和無線電協(xié)會共同組成的無線電協(xié)會匠心隊(duì)，代表鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院參加2018年第17屆全國Robotac機(jī)器人大賽，成功闖進(jìn)全國前8強(qiáng)，最終取得了全國一等獎(jiǎng)的好成績。短短的兩天賽程，5場對抗，看上去簡短刺激，像是一場游戲。但是這樣的成績背后，參賽隊(duì)員卻付出了超乎常人的努力，正所謂臺上三分鐘，臺下十年功，這樣的成績絕對不是偶然。鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院參賽隊(duì)員從2017年11月份開始著手準(zhǔn)備比賽，由于這是第二次參加此比賽，指導(dǎo)老師和參賽選手沒有什么太多的經(jīng)驗(yàn)和成果，一切只能靠參賽隊(duì)員們從頭做起，從零突破。

2017年11 月，無線電協(xié)會匠心隊(duì)參賽團(tuán)隊(duì)初步形成，參賽隊(duì)員召開第一次大賽準(zhǔn)備會議，隊(duì)員們討論整體的備賽方案和參賽機(jī)器人類型。由于比賽規(guī)則中限制曾經(jīng)稱霸比賽的鏟車攻擊機(jī)構(gòu)類車型（鏟車類攻擊機(jī)構(gòu)簡單暴力攻擊力太強(qiáng)），每個(gè)參賽隊(duì)只能有一輛鏟車、一輛不死之神“牛魔王”，所以上場的其他4輛機(jī)器人的攻擊機(jī)構(gòu)需要參賽隊(duì)員獨(dú)自設(shè)計(jì)制作。最終，參賽隊(duì)員們初步確定要做的車型機(jī)器人有：一輛無敵“仿生鏟車”、一輛不死之神“牛魔王”、兩輛模仿工業(yè)叉車的“仿生叉車”、三輛“手動叉車”、兩輛具有強(qiáng)大攻擊力的“飛輪戰(zhàn)車”。另外本屆大賽同往屆大賽相比，一條新的比賽規(guī)則令參賽隊(duì)伍不得不慎重考慮“如果一方戰(zhàn)隊(duì)的仿生機(jī)器人登上對方堡壘，并保持與地面隔離10秒鐘，將立即獲得27分比賽最高分，取得比賽的勝利”。所以隊(duì)員們打算組建特殊作戰(zhàn)小組，單獨(dú)研究速勝機(jī)器人“彈跳機(jī)器人”。

圖3

目標(biāo)明確，團(tuán)隊(duì)便開始分工安排，每一輛要做的機(jī)器人分工到人，團(tuán)隊(duì)共分成6個(gè)“作戰(zhàn)小組”，分別負(fù)責(zé)不同的機(jī)器人和一個(gè)后勤小組，負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)研發(fā)需要的材料購買工作和資料查閱工作。目標(biāo)確定起來看似簡單，卻更要慎重，因?yàn)檎_的努力方向，是成功的必要條件。確定目標(biāo)后，各個(gè)作戰(zhàn)小組在組長的帶領(lǐng)下便開始了創(chuàng)作之旅。一開始各個(gè)作戰(zhàn)小組盡可能的發(fā)揮自己的想象，利用現(xiàn)有的材料，把自己腦子里的機(jī)構(gòu)，通過團(tuán)隊(duì)成員的雙手變成一件實(shí)實(shí)在在的事物，這個(gè)過程艱難而有趣。而正是這樣過程才是鍛煉團(tuán)隊(duì)成員個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的好時(shí)機(jī)。什么是成功？把想法變成現(xiàn)實(shí)的過程便是成功。各個(gè)作戰(zhàn)小組把腦海中的機(jī)構(gòu)畫成草圖，找材料，組合、搭建、安裝、鉆孔、打磨、可能有時(shí)候一個(gè)尺寸足夠同學(xué)們打磨幾個(gè)小時(shí)，問題一個(gè)接著一個(gè)，剛解決一個(gè)問題，新的問題便浮出水面。然而，這種解決問題的能力，正是當(dāng)代大學(xué)生所需要具備的重要能力。有時(shí)候，經(jīng)過不短的嘗試，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)原來這樣的方案行不通，要推翻重來。這個(gè)時(shí)候便是考驗(yàn)一個(gè)團(tuán)隊(duì)凝聚力和意志力的最佳時(shí)機(jī)，有些同學(xué)會因?yàn)樽约号α耸畮滋焐踔潦且粋€(gè)月的方案被完全推翻而不能接受，心理和情緒的問題是最大的問題。然而每個(gè)小組長的作用總顯得極其重要，組長會在關(guān)鍵時(shí)刻給隊(duì)員以鼓勵(lì)。組長也經(jīng)常通過談心的方式來和隊(duì)員討論方案，方案有偏差時(shí)可以及時(shí)糾正，方案行不通時(shí)，組長會組織大家一起討論，如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)的盡快找出合理可行的方案。就是通過一次次的溝通和談心，組長和隊(duì)員打成一片，振奮精神繼續(xù)前行。

3 投入更多的時(shí)間努力備賽

為了比賽，團(tuán)隊(duì)的同學(xué)們放棄了寒假，堅(jiān)決的選擇了留校備賽。做任何事情的前提都必須有一個(gè)好身體，留校期間團(tuán)隊(duì)的同學(xué)每天早上頂著凜冽的寒風(fēng)堅(jiān)持跑步、打球等運(yùn)動。有時(shí)候?yàn)榱私鉀Q一個(gè)問題，大家都會討論驗(yàn)證到凌晨。同學(xué)們也深知留在學(xué)校的意義何在—吃苦磨礪長技能，努力備賽爭榮譽(yù)。他們明白留校不僅僅是為了在Robotac大賽取得好成績，而是為了通過這樣的比賽提升自己的興趣和愛好，培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力，最終實(shí)現(xiàn)人生的價(jià)值。他們明白雖然沒有了長長的假期卻換來了滿滿的技能，沒有了賴床的機(jī)會卻換來了團(tuán)隊(duì)隊(duì)員們之間深深的友誼。功夫不負(fù)有心人，在同學(xué)們的共同努力下“仿生鏟車”、“牛魔王”、“仿生叉車”模型都已定稿。他們吃過的苦、流過的汗最終都化成了一臺臺“鐵甲戰(zhàn)士”。

圖4

4 困難重重、逐個(gè)突破

然而更加艱巨的問題來了，隊(duì)員們要把這些實(shí)踐證明過的模型制作成用碳纖維材料打造的兼顧著重量強(qiáng)硬而硬度堅(jiān)硬的完美戰(zhàn)車才能馳騁疆場。由于學(xué)校的大力支持，我們的資金足夠購買我們想要的碳纖維材料，然而最艱難的問題在于隊(duì)員們要掌握3d建模技術(shù)，把建好的模型送去打樣。于是，隊(duì)員們便組建建模小組在隊(duì)長的帶領(lǐng)下學(xué)習(xí)solidworks進(jìn)行3d建模，從最簡單的畫線到能畫小零件再到能畫整個(gè)車身。光有這些還不夠，打樣回來的碳纖維材料因?yàn)榇驑诱`差，總有些孔對不上，不能很好的拼接，由于經(jīng)驗(yàn)不足，隊(duì)員們畫的車型機(jī)器人，在建模的時(shí)候很可能考慮不到一些實(shí)際的空間問題。就像隊(duì)員們一開始設(shè)計(jì)的叉車為了把重心后移，叉車的前面兩個(gè)輪子是大輪，后面兩個(gè)輪子是小輪，第一版叉車經(jīng)過實(shí)踐之后發(fā)現(xiàn)了新的問題，輪子必須前后都是大輪，如果是前面大輪后面小輪，會出現(xiàn)小輪轉(zhuǎn)速跟不上大輪的情況，后輪磨損嚴(yán)重、轉(zhuǎn)彎困難的問題，最終決定把前后輪都換成大輪。而再改版時(shí)候，一個(gè)問題被忽視了，那就是車子的傾斜角度問題，后輪換成大輪了，車頭就會往下翹，不是最好的車身角度了。如果改裝的話就需要一些小的斜面零件來墊高，那么去哪里找正好合適的小斜面零件呢？

圖5

這就要靠cura切片軟件將建好的3d小零件模型導(dǎo)入，連接3D打印機(jī)來打印了，于是參賽團(tuán)隊(duì)便隨機(jī)應(yīng)變，分配了兩個(gè)同學(xué)學(xué)習(xí)3d打印的相關(guān)技術(shù)，靠著3d打印，隊(duì)員們的一個(gè)一個(gè)小問題都在思考和努力中迎刃而解，一輛輛機(jī)器人也逐漸完成。就是這樣在備賽制作機(jī)器人的過程中，隊(duì)員們需要什么工具，就去學(xué)習(xí)什么工具，需要建模就去學(xué)習(xí)solidworks，需要自制小零件就去學(xué)習(xí)3d打印。再解決問題的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的科技創(chuàng)新技能，提高了學(xué)生的自學(xué)能力。

5 沉著應(yīng)對出現(xiàn)的問題

隨著比賽的臨近，機(jī)器人基本都已經(jīng)完成，操作手們也開始著手練習(xí)對抗?？墒窃绞亲詈箨P(guān)頭，越容易出問題，為了對抗更加真實(shí)，買了今年比賽用的新生命柱（生命柱：共有3格血串聯(lián)在戰(zhàn)車機(jī)器人的主電路中，生命柱上裝有震動傳感器，在對抗過程中如果生命柱震動過度會掉血，3格血用完戰(zhàn)車機(jī)器人自動斷電），在對抗的過程中新的問題產(chǎn)生了，裝上生命柱的戰(zhàn)車速度明顯減慢，并且經(jīng)常斷電失控。

參賽隊(duì)員們著急的抓耳撓腮，卻束手無策，這一個(gè)問題還沒有解決，另一個(gè)天大的問題像魔鬼一樣降臨。仿生機(jī)器人的船足（利用仿生物爬行運(yùn)動的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)）中的螺絲出現(xiàn)彎裂，這是船足足與足之間剪切力過大帶來的后果。兩個(gè)天大的問題讓隊(duì)員們感到絕望。而就在此時(shí)，指導(dǎo)老師的一句話讓隊(duì)員們有了突破口：“你們分成兩隊(duì)解決這兩個(gè)問題，擅長模擬電路的同學(xué)，解決斷電的問題，對機(jī)械結(jié)構(gòu)有研究的同學(xué)解決凸輪中螺絲斷裂的問題?！苯鉀Q斷電問題的隊(duì)員們，經(jīng)過詢問和思考似乎找到了原因，官方生命柱有限流作用，電流超過30A生命柱會自動斷電，原來是隊(duì)員們做的車功率太大了，電流超過的限流值。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，用鉗式電流表，通過測量看電流值是否超出了30A,測量的結(jié)果卻令人大失所望，顯示的電流值沒有超過30A，最大的也只不過是27.8A，這又讓參賽隊(duì)員們陷入了沉思，難道是新的生命柱限流小于30A嗎？隊(duì)員又拿來了電子負(fù)載，對生命柱進(jìn)行限流值測試，顯示的結(jié)果確實(shí)實(shí)在30A的時(shí)候斷電。這下問題讓人很抓狂，完全沒有了思路，陷入了絕境，此時(shí)此刻已經(jīng)是深夜2點(diǎn)多了，其他隊(duì)員都熬不住了，先去睡了，只剩下兩名同學(xué)同學(xué)還在沉思和測試，難道是因?yàn)殡娏鞯姆逯惦娏?？鉗形表測不到？ 為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，兩位隊(duì)員想到了可以用電容和電感做一個(gè)LC濾波穩(wěn)流，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰粫蛔儯芗皶r(shí)的補(bǔ)充和吸收電路中溢出或者缺失的電流，減小電流的突變，而電感兩端的電流不會突變，也有相同的作用，只是選擇起來是個(gè)問題。一般電容選擇大一點(diǎn)就可以，于是，兩個(gè)隊(duì)員便在電調(diào)（電機(jī)的驅(qū)動集成電路）的供電端并聯(lián)了8個(gè)容值為2200uf的電容，結(jié)果確實(shí)好很多，只是沒有徹底解決問題，斷電的現(xiàn)象還是存在。但是，已經(jīng)找到了問題和解決方案，下面就是調(diào)試的問題了，兩個(gè)隊(duì)員開始纏繞不同H值的電感串在電路中不斷嘗試，并用電橋測試每一次電感的H值。為了完美的解決問題，兩位隊(duì)員嘗試很多種電路，經(jīng)歷了層層測試、實(shí)踐、篩選終于在凌晨6點(diǎn)鐘的時(shí)候確定了最終方案。

圖6

而就在這一晚，凸輪中斷裂螺絲的問題，也得到了解決，斷裂螺絲的原因很簡單，因?yàn)榇憬Y(jié)構(gòu)中凸輪的連接是靠螺絲，螺絲主要承受剪切力，只是這個(gè)問題解決起來比較麻煩，到底怎么才能讓螺絲不承受剪切力還不改變原來機(jī)構(gòu)具備的運(yùn)動方式呢？對機(jī)械小組的隊(duì)長想到了一個(gè)辦法，為什么凸輪之間的連接不用嵌套的方式呢？于是他便用建模軟件solidworks建出了自己的腦海中的嵌套式凸輪，凸輪和凸輪之間用凹槽和凸起的圓柱結(jié)構(gòu)相連接，既不影響凸輪的轉(zhuǎn)動又能解決剪切了的問題，同時(shí)隊(duì)員們還將原來用的10.9級的不銹鋼材螺絲換成了12.9級的不銹鋼材螺絲，增強(qiáng)了螺絲的硬度。

就這樣，兩個(gè)天大的問題被迎刃而解，當(dāng)然，整個(gè)備賽過程中隊(duì)員們遇到的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。是他們堅(jiān)持不懈、永不放棄的精神，是他們不負(fù)期望、承擔(dān)重任的勇氣，是他們憑借興趣愛好無限發(fā)揚(yáng)的力量以及堅(jiān)不可摧團(tuán)隊(duì)協(xié)作的魅力，讓他們一路走來過關(guān)斬將，通宵達(dá)旦，最終取得全國一等獎(jiǎng)的好成績。

6 總結(jié)

學(xué)生通過參加全國大學(xué)生機(jī)器人大賽RoboTac賽事，學(xué)會了solidworks等建模軟件、學(xué)會了3d打印的基本技能、學(xué)會了電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)等等一系列學(xué)術(shù)技能，同時(shí)提高了學(xué)生的自學(xué)、動手的能力及遇到問題時(shí)沉著冷靜的應(yīng)對困難的能力。最重要的是培養(yǎng)了學(xué)生們的興趣愛好、鍛煉了學(xué)生們的精神毅力、提高了學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)合作能力、提高了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。