機械人足球硬件攻略

速度、馬力缺一不可

機 械人足球比賽可說是一個講求速度和力量的賽事。因為機械人需要速度追波和攻門以增加出勝率，也可能要隨時迅速回防進行欄節(jié)，且可能會被對方機械人推開。所 以大家在設(shè)計時就需留意這一點，就以機械人的驅(qū)動方式來說，若馬達直接帶動大輪推進，其優(yōu)點是速度快但力量會不夠。而馬達以小齒輪帶動大齒輪運轉(zhuǎn)，優(yōu)點是 力量大但速度卻不夠快。因此提高功率是最佳的辦法，你可使輸出較大的馬達和提高供電電壓(視乎硬件的兼容性)，另一個常見的做法是以數(shù)個馬達來驅(qū)動一個輪 胎。而你可以選擇適當(dāng)?shù)凝X輪比來找出速度與力量的平衡點，言而這種方式是不會提高功率的。因為提高速度便要減少力量，反之提升力量便會減低速度。

防守機械人要求高機動性

在 足球比賽中常見到選手的防守機械人使用萬向輪(Omni-directional Wheel)，目是想提升機械人的機動性，加快回防和撲球速度。萬向輪是在輪子圓周上裝有與輪軸垂直的小輪，因此可自由的沿著兩種方向移動。當(dāng)馬達提供動 力時，萬向輪沿著軸向轉(zhuǎn)動，此時萬向輪上的小輪是無作用的。但當(dāng)萬向輪往輪軸方向移動時，馬達則不輸出扭矩，此時輪上的小輪則變?yōu)檩o助輪，減少移動時的摩 擦力幫助機體移動。透過使萬向輪機體可達到以下優(yōu)點： (1)輪軸不需移動，即可改變平臺方向。 (2)?原地旋轉(zhuǎn)不需回轉(zhuǎn)半徑。 (3)可同時且獨立地控制機體的移動與轉(zhuǎn)動。

觸感安裝有竅門

在賽事進行中機械人會時常發(fā)生碰撞或可能走進場角，而使用接觸傳感器作為回避障礙物是最簡單直接的，只要傳感器被擠壓或沖擊就會將數(shù)字信號傳送到機械人的主控板以執(zhí)行對應(yīng)指令(如后退接著左轉(zhuǎn)等)。但傳感器的安裝位置也有竅門，它將影響機械人沖擊障礙物時的反應(yīng)性。
如傳感器豎直安裝在前方于使用中會發(fā)現(xiàn)面對側(cè)面的碰撞很多時候無法反應(yīng)，建議采用一般的45度安裝。如圖1中機械人A比B的會更快作出反應(yīng)及感測范圍較 大。而傳感器的安裝高度亦應(yīng)高于紅外線足球的高度，以減低機械人誤作足球是障礙物的機會。當(dāng)機械人碰上障礙物時，一般會先后退接著以軸心轉(zhuǎn)向方式偏轉(zhuǎn)，這 可減低機械人被困死的機會且轉(zhuǎn)向起來也較靈活。

堅固車身甚緊要

由 于在機械人足球競賽中很難避免激烈的碰撞，加上現(xiàn)在機械人足球的發(fā)展是亦趨向力量。所以在機械人的機構(gòu)設(shè)計與材料選用上必須做耐撞的考慮。而配置方面可透 過降低機械人的重心，來避免在轉(zhuǎn)向或碰撞時翻倒。而傳感器除感測部分外都不應(yīng)超出機械人的輪廓，以減低碰撞時傳感器損壞的機會。
雖然機械人可以借助感測部減少碰撞和被開障礙物，但也不應(yīng)過份依賴。我們可以在外形和配置上花點功夫，例如可以將輪胎藏起來或在外圍加設(shè)防沖欄，以減少碰 撞和卡死的現(xiàn)象。機械人的輪廓以圓形或圓角的設(shè)計為主，以減少碰撞時沖擊。過長的配線應(yīng)束好以避免纏住東西。

機械人的視力

RCJ 足球比賽使用的足球有別于日常所見，它是會發(fā)射出紅外線的。這時紅外線傳感器就成了機械人的眼睛，透過傳感器接收的紅外線信號強弱，機械人可搜尋出足球的 大概位置。那么安裝傳感器時有甚么需注意呢？由于足球中心高度發(fā)射的紅外線范圍最廣，所以建議將傳感器的安裝高度大約為足球中心離地的高度，使機械人視野 更遠。而為了減低場地光線對傳感器的影響，可將傳感器安置于機體內(nèi)或以外罩遮蓋。若采用一個傳感器進行感測，一般會安裝在機械人正前方。

您亦可加裝更多的紅外線傳感器以加強搜尋足球的能力，當(dāng)然程序會相對復(fù)雜一點，但前提考慮是否有足夠的輸入埠。也可選擇紅外線復(fù)眼傳感器，它是在同一塊線路板上配置了多個紅外線接收組，可以接收多個方向的紅外線信號強弱。

定位裝備不可少

在足球比賽中判決機械人的位置和進攻方向是非常重要的，因為機械要在適當(dāng)?shù)奈恢蒙溟T和避免烏龍球的出現(xiàn)，才可提高出線的機會。而最常使用的就是超聲波測距、光感/灰階、指南針傳感器，接下來就為大家續(xù)一介紹。

超聲波測距傳感器的工作原理是發(fā)射超聲波，并檢測反射回波接收后的時差來測量距離(將回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，由公式：距離＝速度*時間 / 2 計算出來)。 在足球比賽中超聲波測距傳感器起著判定障礙物作用。它一般是安裝在機械人正前方及左右兩則，若配合指南針傳感器一并使用就能知道機械人是否于對手的龍門前 和離門前多遠。而紅外線測距傳感器則是以發(fā)射紅外線及接收反射回來的紅外線信號強度來測量距離。兩者同樣是非接觸式的測量工具。但由于比賽規(guī)定機械人的顏 色和/或光線發(fā)射器不得影響其它機械人的光感讀數(shù)，因此不能使用紅外線測距傳感器。

灰階傳感器

足 球場的地板是鋪設(shè)了一張漸變的灰階紙，所以透過對地光感/灰階傳感器來判斷機械人的大概位置。傳感器會發(fā)射紅外線并按收反射回來的紅外線。只要傳感器發(fā)射 部分面對地板且不會對他機械人做成影響就可。如果機械人在行走時將所得的數(shù)據(jù)進行比較，就可判斷進攻正方是否正確。但由于球場橫向的灰度是不變的關(guān)系，單 靠光感/灰階傳感器是未能知道機械人位于龍門的正前方，還是左右兩旁。若要解決該定位問題，可配合超聲波測距傳感器/指南針傳感器一起使用。

足球場的模樣

指 南針傳感器是許多隊伍都會使用的裝備，因為使用的方法簡單，只要將對手的龍門方向預(yù)先設(shè)好，就可讓機械人知道進攻方向且避免烏龍球出現(xiàn)。指南針傳感器主要 是利用地磁場來定北極，現(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的。若要保證精確的測量，調(diào)校就不可少了。因為各個地方的地磁場并不是一樣的。同時，還有 各種異常磁場的存在。為減少受到干擾，解決辦法是將傳感器安裝在較高位置。

盤球器制作有竅門

在 比賽中，如果機械人可以控制足球?qū)⒄加懈嘀鲃訖?quán)。但要注意比賽規(guī)定機械人不得占有球超過20mm，由于可以占球的空間有限，必定需要借助地面與車體間狹 小而精確的空間卡住足球。較主動的做法是使用盤球器，原理是馬達齒輪箱帶動轉(zhuǎn)軸上輪胎向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，將球吸入懷中，而且建議采用摩擦力較大的輪胎效果會較佳。 在不犯規(guī)的前提下運球，運球器與球的接觸點必定低于球的最高點。

采用盤球器時可能會遇到以下問題。當(dāng)機械人吸住球后，車體 會因為盤球器輪胎對球的摩擦力而上翹，可能導(dǎo)致主動輪間斷離地，造成行車不穩(wěn)?？梢栽谠O(shè)計機械人時將重心放在較前位置，來抵消球滾向車子的反推力。另外于 盤球時，足球是與機械人做相反方向的滑動，這會降低機械人的前進速度，解決方法是提升馬達的輸出。

簡單運球器圖樣

運球器操作的模擬圖

透過轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)將球擊出

射球裝置設(shè)計考功夫

設(shè) 計好的射球裝置比盤球器還要困難，除了要利用有限空間外，還要考慮硬件的整體配合和效率。所以一般隊伍都沒有安裝。寧可采用甩球方式射門，方法是機械人盤 著球于射球區(qū)時急停或急轉(zhuǎn)，藉慣性使足球向前滾。雖然球速不快，但做法簡單較簡單，若在編程和進攻策略上花點心思仍可作出有威脅的攻門。
如果要制造強而有力的攻門那就需要使用射球裝置了，常見的都是擊球式和彈射式兩種。擊球式的射球裝置主要是透過馬達旋轉(zhuǎn)帶動擊球轉(zhuǎn)軸將足球踢出；彈射式的可利用馬達旋轉(zhuǎn)齒輪帶動齒條壓縮彈簧，以彈射的方法將球射出。
但不說可能大家不知道于2005年的RCJ機械人足球比賽中，德國隊和伊朗隊竟使用了氣動彈射裝置，透過噴出壓縮氣體將球高速射出，真令人大開眼界。