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ABU Robocon 2004机器人设计及参赛方案

致谢：感谢本文作者yanghuisoftware的精彩构思和无私的奉献！

提示：点击小图可以看大图！

一 背景与赛题

ABU Asia-Pacific Robot Contest ( Robocon )是由亚广联（ABU）倡导举办的机器人电视大赛。每届比赛由亚广联统一制定赛题与规则，并由亚太地区的高等学校组织本科在校生设计制作参加比赛。由于亚太地区高校众多，所以一般先由当地亚广联成员组织各赛区的比赛，选出最优秀的团队代表该国参加亚太地区总决赛。作为ABU成员，CCTV已经成功举办过两届全国大学生机器人电视大赛，并且进行了全程电视转播。

大学生机器人电视大赛是一项学科高度交叉、技术层次较高、充分锻炼参与者动手动脑能力和团队协作精神的课外科技活动。举办两届以来吸引了全国许多高校，报名参赛者除了清华大学、中国科大等机器人工程、自动化控制领域名牌院校外，也有很多一般高校，充分体现了此项赛事的广泛参与性。再加上Robocon是以电视作为媒体的，因此影响面广、群众认同度高，在中国及亚太地区正逐渐成为一项家喻户晓的大学生竞赛。可惜的是，到目前为止这项赛事中尚未见到中国地质大学学生的身影。我想其中的原因一方面是地大在机器人领域没有学科优势，另一方面更重要的是我们缺少参与意识。其实分析往届大学生的作品我们不难发现，面向本科生的Robocon并非要竞争高不可攀的尖端技术，他在要求机器人硬件性能同时也非常看重策略和程序。其中技术难度较大也较为核心的单片机嵌入和算法实现是一般理工院校能够完成的。因此可以说Robocon是一项门槛较低的赛事。必将有越来越多的高校参与进来。

地球物理与空间信息学院所设专业跨三个一级学科，学科面很宽，尤其以空间信息采集与处理见长，加之学生基础扎实勤奋好学，代表地大参与这一国内高校机器人顶级赛事有着得天独厚的优势。2003年10月27日央视国际公布了ABU Robocon 2004 赛题和报名通知，我认为的地空学院应当抓住这次机会，投入师资，调动一切积极因素尽快参与进来。虽然我们的技术水平跟科大等学校有很大差距，但这并不妨碍我们锻炼学生能力，优化学科结构。组织这样的活动，其运作中体现出来的价值远比结果的胜负具有更深远意义。

根据央视国际公布的赛题(http://www.cctv.com/contest/special/robocon/20031027/100376.shtml)，我个人进行了初步研究，包括策略与宏观技术分析、机器人方案和团队组织论证。因时间短促，加之机器人领域涉及庞杂，目前无法陈述详细的技术细节。撰写此文参加报告会，目的在于抛砖引玉，引起全院乃至全校师生的注意和兴趣，为地大学子的身影早日出现在机器人电视大赛赛场上尽绵薄之力。
现将赛题简介如下，文后附“第三届全国大学生机器人电视大赛主题及规则（附图）”。

鹊桥相会

本届大赛主题源于一个中国传统爱情故事――牛郎和织女七月初七鹊桥相会。比赛双方须事先研制各自的机器人，包括一个手动机器人和若干自动机器人。比赛中要求三分钟内完成修复残缺的鹊桥，并用自动机器人通过鹊桥将贵重礼品送至织女双手实现相会取胜。同时也要用自动机器人搬运普通礼品入指定区域得分，计分结果将在双方均未完成相会时用来判定胜负。规则对机器人运行空间、场地设备尺寸、代表队组织作了严格规定，详见附文。

二 策略分析

根据规则，我们设计的机器人应该完成两个主要任务：1.“相会”，由自动机器人将贵重礼品送至织女双手；2.“得分”（包括搭桥和搬运礼品至一分箱或两分箱），――防止任务一失败。这两个任务可以作为两个独立的进程同时推进，应注意填补未完成的瘸乔吉可以多分优势成功相会的前提。另外作为对抗形象，我们所设计的机器人应当在规则允许范围内破坏对方搬运获得，而且要保护自己免遭对方破坏。

上述是对所有参赛队而言都大同小异的任务。为了进一步具体化，首先有必要分析场地的具体布置。

如附图所示，填补鹊桥的大中小桥板均位于全场顶端，与需要填补的残缺处相距较远。而且鹊桥呈弧形，三个空档呈扇状排布；除牛郎区和鹊桥外地面均无引导线，这样搭建鹊桥的机器人就需要很高的行走精度和置放精度。还有我们可以看到从操作角度讲搬运一块大板并放到位置显然比搬运一中一小两块再拼起来简单得多，既省时间，成功率也高；可是双方共需六个大桥板，场内只提供五个，这样势必引起原材料的争抢。如果不对桥板进行储存和保护，肯定会影响到全局进程。综上所述，对于桥板策略归纳如下：派遣精兵强将，先从中间的大桥板下手，一次性搬回足够多的桥板，从牛郎区到织女区顺次填补（这样对于搬运贵重礼品的自动机器人是最节省时间的）。

贵重礼品是取胜的关键，但初始状态却在众多普通礼品的重重包围中，如果不将贵重礼品今早搬出牛郎区，难免与普通礼品的运送发生冲突，很可能导致相会失败得分不成。因此对于贵重礼品的策略应该是：由专门自动机器人在第一时间运上鹊桥，每当铺好一块空缺的桥板携带贵重礼品的自动机器人就前进一步，这样只要最靠织女区的桥板铺好，贵重礼品马上就能进入织女区准备相会。

对普通礼品而言，既可投1分箱也可头2分箱，但显然2分项的争夺异常激烈，有可能被阻挡，还有可能2分箱装满；1分箱得分虽少成功率却高。所以投1分的还是投2分的需要一套实时动态决策系统。其一般原则如下：当牛郎区内尚有未搬完的礼品时，自动机器人首选从牛郎区搬礼品至2分箱，如果2分箱出现故障则改投1分箱；当牛郎区内礼品搬完时，自动机器人就考虑从1分箱内取出礼品改投2分箱；当自动机器人无法对己方礼品操作时，将被指令前去破坏对方（其中有必要考虑比赛剩余时间因素，当比赛仅剩几秒的时候从一分箱取出礼品改头两分箱显然是不明智的）。

根据ABU Robocon 2004官方网站发布的FAQ和主办单位韩国KBS给我的回函分析，自动机器人允许破坏对方得分，包括将对方鹊桥拆除、取出已放入箱的礼物或设置种种障碍。我们可以充分利用规则，在普通礼品的策略上采取：霸占二分箱，“朋友来了有好酒，豺狼来了有猎枪！”

综合来讲，行动迅速、定位准确是取胜的关键，而且一群协同工作的机器人能做到按部就班是非常不易的。因此设计时要特别注意自动机器人之间的配合和做好实时决策的硬件适用性及软件合理性准备。

三 技术简析

机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。中国地质大学在这方面虽然没有科大、清华等院校的雄厚实力，但要参加这样的竞赛并不存在太大的技术障碍。事实上第二届全国大学生机器人电视大赛组委会曾呼吁各高校切勿盲目追求高新技术，应将着眼点放在本科生力所能及的范围内。因此下面技术分析会根据我们的实际能力，从尽量简化，完成基本功能出发。

（1）机器人组织
根据规则，参赛队可以不制作手动机器人。但是很显然，手动机器人将最重要的智能化的传感器和决策系统交给了人，在机器人还不能真正眼观六路耳听八方反应迅速身手敏捷的时候，手动机器人不但不能放弃，还应当用于竞赛中急难险重的关键部门。我们可以让手动机器人完成架桥工作。另外还需要运送贵重礼品的自动机器人一个，霸占2分箱的自动机器人一个，运送普通礼品的自动机器人2-3个，总计5-6个机器人。

（2）移动机构
　 赛题给定的是结构化区域，地表平坦，少有凹凸，因此轮式移动装置为首选，且轮径无需太大，一般实心橡胶轮即可。理论上为了提高对引导线的分辨率，底盘应当越低越好。但此题中每个礼品下有10mm厚的聚乙烯带；运送贵重礼品的自动机器人还要跨过若干普通礼品，底盘就不能一味地追求低。

（3）结构材料
简而言之就是既要轻便又要有强度，最合适的莫过于各种具有空心截面的铝合金型材，再通过铆钉连接，某些情况下会用到不锈钢板材和线材。

（4）空间定位
这是历届大赛都体现出来的非常核心问题。能否准确地让自动机器人知道自己的位置直接关系到正常运转。比较传统的方法是在自动机器人中预存地图。自动机器人行动中根据引导线数方格，算出与起始点的空间关系，再映射到地图。但这次赛题中只有牛郎区和鹊桥上有引导线，如果机器人全部涌上1米宽的鹊桥寻求引导，后果将不堪设想。所以我想搬运普通礼品的自动机器人可以使用类似光电鼠标的原理，用主动光源产生反射，光敏元件拾取位移信息，进行二维空间的定位。另外运送贵重礼品的自动机器人驶上鹊桥后可以利用鹊桥边沿产生的约束力导引方向（类似单轨车），这种方法比内部闭环反馈进行方向修正要简洁、迅速、连贯。认识到这点，我们应该能够发现，牛郎区的边框也能很好地提供导向约束力。

（5）动力源
不需要太大的输出扭矩，必须能灵活操控，而且要求体积小，重量轻、方便检修，毫无疑问是蓄电池提供的直流电源外加直流电机。对于需要大驱动力低转速场和场合，可以用齿轮链、同步皮带等装置处理。

（6）避让措施
通过安装在自动机器人关键位置（如机械臂前缘、底盘四周）的光电传感器提供避让警报，或者移动或者停止操作。对于某些院校曾使用的CCD摄像头我认为数据量多、软硬件要求高、实现难度很大。图1为一种典型的距离报警装置，当有物体靠近值接收器能收到大量反射信号这种装置安装成阵列可以提高精度和探测范围。

（7）自动机器人协同
很多自动机器人同时工作，必然需要互相通信。比如某自动机器人搬走某处理的礼品，它就要通知其他自动机器人，否则将导致重复检测；在得分区还要进行敌我识别。这个问题可以使用经过调制不致发生干扰的射频信号完成，这意味着在场地内己方所有自动机器人中实现小区广播。

（8）自动决策
这一点是机器人学中技术含量最高的方面之一，因为能否正确地动态决策始终是人与机器之间难以逾越的鸿沟。在我们的机器人中目前也只能做到if…then…这样的水平。名为自动决策，无非是自动机器人自主采集处理机信息。人虽没有告诉自动机器人每时每刻的具体状态，却给它编了处理各种情况的程序。在Robocon中，规则不允许场外信号介入，加上在对抗性很强的场合下难以保证某一自动机器人可以作中央指令台站，因此在自动机器人系统中采取分布式地图系统是较合适的。每个自动机器人都储存一幅地图，比赛中根据小区广播实时修改数据库，这样随时可以计算出最合适的目标路径。另外每个自动机器人的工作状态也由小区广播传送到其他自动机器人上，进入地图要素，为对接和避让提供依据。

（9）环境识别
自动机器人中储存的地图对自动机器人群的自动决策有着关键作用。对于场内固定地物我们可以事先储存在初始地图中。但是对肠内其他物体，如参赛队员，手动机器人、对方自动机器人都无法预知。为了获得周围环境较为确切的模型，可以考虑在每台自动机器人上安装简易测距超声波雷达，根据需要在柱坐标系竖轴和水平角自由度内扫描。因为自动机器人空间分布概率较平均，所以所有自动机器人可以组成一个监控网络，一边工作一边采集数据。

（10）误差校正
自动机器人将位移传感器采集的信号经运算后映射到地图，这是求解策略的基础。但事实上自动机器人从原点出发运动的距离越炒越长，传感器积累的误差越大，因此必须要有一个核准坐标的环节，我们可以充分利用牛郎区中的引导线。当自动机器人在牛郎区工作时处于直接获取坐标状态；当进入银河区后自动转为计算坐标状态。

（11）速度控制
为保证灵活制动和重心稳定，自动机器人在某些场合要调速运行。例如当地图反映交通拥挤时，逻辑系统发出降速和停车的指令；当目标路径畅通无阻时，电机应该高速运转。

（12）内部传感器
机器人系统中有各种臂、轴机构，因此自动机器人的逻辑系统必须知道自身各处的直线改变量和角度改变量。这两个量都可以用光电编码盘测得。这项技术应用广泛，可作为通用筹备，不再赘述。这种传感器系统的优点之一是可以通过齿轮组将微小的改变放大很多，分辨精度能大幅提高。

（13）目标抓取
自动机器人要想得分，首先要较准确地抓取礼品。对于礼品的辨认，牛郎区内可以用预存储的坐标引导移动机构。对于散落的礼品或已入箱的礼品则用前述的超声波雷达识别定位。Robocon 2004中自动机器人操作对象是立方体，虽不像球体具有滚动性，但在一定尺度下用柔性力对其约束，还是可以充分利用其自重以减少机械手机构复杂度的。

（14）工艺设计与媒体拓展
大赛组委会强调各代表队的特色，不仅包括软硬件基础技术，还有外观设计。在这一点上我认为可以结合中国地质大学关注人与自然和谐发展的视角，色调上以蓝色、绿色等自然色为主；造型圆滑流畅兼顾视觉动感，体现和谐、生机、积极的主题。在适当位置标注校名校徽。规则并没有禁止声光媒体的使用，所以在重量允许的前提下可以安装扬声器，在比赛中播放勘探队员之歌，即可以活跃场上气氛，又能弘扬地大精神。

四 “山谷风”机器人组合简介

我的机器人方案是由一台线控手动机器人和五台自动机器人组成，整个机器人团队以富有地大特色的“山谷风”命名（取自勘探队员之歌）。其中手动机器人命名为“喻家山”、运送贵重礼品的自动机器人命名为“南望山”、保护2分箱的自动机器人命名为“磨山”，三个运送普通礼品的自动机器人分别名为“龟山”、“蛇山”和“猴山”。现分别介绍如下。

（1）“喻家山”手动机器人
基本任务：出发后以最快速度到达桥板区，收集到足够的桥板再以最快速度填补空缺。一般还要求其能拾起事故性坠落的普通礼品和贵重礼品。

“喻家山”行走机构为全轮偏转全方位移动（图2），可以实现车体任意的定位和定向，可以做到零回转半径。特别是能通过将轮向正交速度方向实现急停。车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。

“喻家山”的拾取装置主要依靠带活塞的吸盘（图3）。吸盘内装有光敏元件，当吸盘附着物体表面时，传感器检测到光量减少，触发活塞提升，腔内形负压，这样吸盘就牢牢吸取了物体；当需要释放时，气阀打开，腔内迅速恢复常压。用3-4个这样的吸盘就能组成一个平稳的吸取阵列。

为了适应不同倾斜度的物体表面，吸取阵列用图示（图4）结构与臂连接。阵列不但可以绕O点改变θ值，还能以OA为轴转动，这一功能主要用来实现桥板调头，在填补鹊桥空缺时很有用。

“喻家山”在四个方向都有臂（图5），并且通过安装在基础（底盘）上的直线驱动装置给臂提供eφ方向上的自由度（极坐标原点在O）。“喻家山”拾取桥板时，臂被驱动放下，并施加垂直吸附表面的作用力，使吸附过程迅速完成。而后臂收起，保持吸附状态，则完成一块桥板的获取与保存。四个臂如果至少取到二块大板，完全可以一次性取够填补空缺所需材料。填补鹊桥空档时，臂下放的同时吸盘阵列旋转调整摆放方向。只要桥板有效填充，操纵员就可以下达释放命令。

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（2）“南望山”自动机器人
基本任务：启动后定位到贵重礼品，以最快速度驶上鹊桥。然后每当一个空档被修复，“南望山”就向前移动一步，直到抵达织女双手实现相会。

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“南望山”轨迹规范，因此行动机构可用一般汽车的“前轮导向，后轮驱动”模式。后轮不存在速度差就可以用一个电机驱动。因为从出发区行驶到鹊桥的直线路径上引导线部分被礼品遮挡，所以“南望山”在安装轮子的部位紧贴地面配置类似光电鼠标的位移传感器。行动机构依据传感器收集的横向位移偏差操纵舵机纠正方向。
“南望山”的横剖面是一个门字形（图6），这样在从牛郎区开到鹊桥的路上行驶就不会撞到立放的礼品。抓取板与梁架共同组成手臂，安装在南望山腹部。出发时抓取板放下，当贵重礼品进入两板之间时，传感器触发张紧机构，板臂抱紧，整个手部夹着贵重礼品绕x轴旋转90度上升到底盘高度（图7虚线表示升起以后的位置）。然后“南望山”就可以携带贵重礼品快速离开牛郎区。贵重礼品被收进南望山腹部后，整个手臂抬升到织女双手高度为相会做好准备。

为了在鹊桥上实现外约束力制导，“南望山”在车体两侧加有雪橇状挡板（图8）。当南望山驶上鹊桥后，挡板通过弹性缓冲装置抱紧鹊桥边沿。在拐弯处“南望山”速度方向与缺桥切向出现夹角，鹊桥给挡板法向约束力，这个力传递给与之相连前轮，产生新的方向。
到达织女区后，“南望山”不能再前进，行动机构自动停车。尔后迅速与保护2分箱的磨山联系对接，臂伸出至织女双手，抓取板松开，实现相会。

（3）“磨山”自动机器人
“磨山”由运送部分和保护部分组成，保护部分形如一磨盘（图9、图10），由运送部分从出发区送至2分箱，对两分箱和织女双手进行遮盖式保护。

保护部份主体是两平行门字结构型材，以非直径弦对称割2分箱的圆。其四角装张紧和行动装置，可紧紧围绕2分箱外框作磨盘式转动。每个门字框在中部和底部有两条向外弧形突出的弹性撑竿，上覆帆布蒙皮将2分箱罩起来。一般情况下保护部分随即转动，对手几乎没有可能得分。当己方自动机器人或“南望山”驶来时，“磨山”从小区广播得到消息，并旋转到一定位置等待对接。投放礼品结束后，“磨山”继续随机转动。“磨山”和其他自动机器人的对接仍然可以使用约定高度的光电信号。

运送部分的形式没有太多要求，只要能将保护部分送到位即可。但为了抢占先机，我们要求它有很高的到位速度。从图上看最佳路径是左行至牛郎区边界，再上行至织女区，期间只需要一次速度变向。而且走这条路行仍可利用边框的外约束力，只要轮子驱动方向有指向侧壁的分量。脱离了光电导航模式，运行速度可大幅提高。两条鹊桥与织女区形成喇叭状开口，外约束力可以再次准确地将自动机器人推至中轴线。

（4）“龟山”、“蛇山”、“猴山”自动机器人
这三个机器人负责拾取普通礼品，并根据自动决策方案投到指定的地点。
为了实现灵活机动，它们仍然使用全偏转式底盘。对块状普通礼品大胆使用囊式装载技术。图11为窄钢带收紧装置，通过电机驱动窄钢带所弯圆框大小可任意改变。用四个这种装置以横截面线方式穿进一圆柱状口袋（图12）并串在一公共杆上受控滑动。初始状态下口袋收缩，四个收紧装置集中在公共杆一端。当礼品在其正下方出现时，窄钢带圈被驱动下划滑，同时拉开口袋罩住礼品。然后收紧窄钢带，口袋两端也就被封住了（图13）。给公共杆加一个圆面在竖直方向的旋转机构，四个收紧装置配以一定的张收顺序就能连续拾取一个或两个离散的目标。再给从杆一个球坐标系中er方向平移自由度，该装置就能准确地投普通礼品至箱中。

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五 组队参赛

机器人的设计制作是一项复杂的系统工程，不同部门需要各种专长的人才。从另一方面讲，机器人工程也对研发团队成员的综合素质有很高要求，尤其是必须有几个熟悉各个部门的骨干成员。从设计、制作、调试到参赛的整个过程中大体需要如下分工。
（1）机械组 4-5人，主要从力学角度进行机器人结构设计，负责理论方案的论证、优化、定稿、成图和中后期的主要力学结构制作、维修。
（2）电气组 4-5人，设计、制作、维修机器人的电气部分，包括动力装置、传感器、舵机、电子开关等。
（3）芯片组 2-3人，设计制作自动机器人单片机系统，包括单片机外围其他运算放大转换设备和指令程序的植入。
（4）通信组 1-2人，负责实现自动机器人之间的通信协调（小区广播）。
（5）策略组 2-3人，制定比赛策略，包括设计实现实时决策的算法、制作电子地图，侧重软件。
（6）材料组 2-3人，采购工作中所需各种原料，制作某些大量使用的通用部件，加工特殊零件及仿制训练调试用的场地、礼品。
（7）外观组 1-2人，设计机器人外观，进行必要的装饰，提高竞赛观赏性。
（8）系统组 2-3人，协调各组之间模块的连接调试，控制整体时间进度，组织验收和演习。
（9）比赛组 4-5人，专门研究实战方法――故障处理、机器人初始化、手动机器人控制。每场比赛选其中三

个人上场。
在参赛的整个阶段，还需要各个不同专业的教师对团队进行指导，主要有机械力学、电子技术、自动控制、计算机等学科。对于某些特殊设备，如超声波雷达、传感器，则应该找专门研究这类课题的教师特别指导。

第三届比赛将于2004年6月举行，时间表方案如下：
图纸阶段 2003.12-2004.2
车间阶段 2004.2-2004.4
演习阶段 2004.4-2004.6

六 结束语

央视国际10月27日发布赛题，11月6日递交报告，要对机器人这么大的课题进行研究显然是既仓促又肤浅的；而且限于篇幅，很多问题不能展开叙述；即使叙述也必然欠缺学术深度。当然这是因为我的知识储备不足造成的。在这几天的钻研中，我深深地体会到了学科交叉的魅力，同时更加让我小心地审视自己的这篇文章。毫无疑问，我不但有很多考虑不足的地方，肯定也有某些个方法、技术过于理想化，是不太可能实现的。磨盘式保护和囊式装载技术是我自认为比较独到有效的策略。

一篇文章绝对不可能造就机器人，这也决不是我参加报告会的目的。我只是希望自己蜻蜓点水式的研究能引起地大师生对机器人大赛、乃至机器人领域的关注和更为深入的研究。如果学院或学校能够对这项活动给予政策上、设备上、师资上的支持，抓紧报名（截止11月30日），尽快组队，我认为参加第三届全国大学生机器人电视大赛时间是足够的。

让我们共同期待勘探队员之歌回响在机器人大赛赛场上的精彩时刻吧！

参考书目及网站
机器人技术基础，柳洪义 宋伟刚，冶金工业出版社，2002-12。
传感器原理及其设计基础，徐恕宏，机械工业出版社，1988。
无线电制导技术，刘永坦，国防科技大学出版社，1989-5。
http://www.cctv.com/contest
http://www.kbs.co.kr/aburobocon2004
http://www.robotdiy.com

相关链接：

参加讨论：

《头脑风暴（1）》CCTV Robocon2004 我的机械方案

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