依托全国大学生机器人大赛培养高职学生科技创新能力

王云飞，张凯，刘冰洁

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，451460）

0 引言

全国大学生机器人大赛 Robotac 是中国原创的国家级机器人科技竞技赛事。Robotac的含义是ROBOT（机器人）+TACTIC（策略、战略)。 赛事秉承教育宗旨、创客实践精神，融合了电竞游戏的特点，以科技创新实践为基础，团队配合为策略，强化机器人对抗竞技的特点，让机器人科技竞技赛事具有科普性和娱乐性 。全国Robotac机器人大赛的表现形式是以类似电竞游戏中的MOBA类游戏形式展示，比赛过程是双方机器人对抗的过程，观赏性极强，对参赛团队的操作能力、反应能力、团队配合能力、以及心理素质有着相当高质量的考验。

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1 全国大学生机器人大赛RoboTac

全国大学生机器人大赛Robotac对抗赛是将热门游戏与机器人比赛相结合，赛制规则简单。通过比赛，为青年大学生提供一个竞技平台，激发参赛学生的创新思维和创新能力，促进学术交流合作；提升参赛人员的科技知识水平，推动全国高校教育实践和科学实践团队及平台的建设；促进机器人科学技术知识的推广普及，推动机器人学科和专业的创新创业教育发展与改革；加强相关技术研讨和培训，促进产学研合作，推动技术创新和转化，为中国机器人产业培育人才。Robotac赛事的目的就是唤起以竞技为核心的比赛精神，激发学生的想象力、增强动手实践能力、心理素质以及团队合作精神。

图2

“铁甲钢拳，接触对抗”，ROBOTAC赛事将网络游戏与机器人比赛相结合，规则灵活。 在符合规则的前提下，参赛选手可以自行设计如车型、人型及多样仿生型机器人（如“车型机器人”、“人形机器人”、“仿生机器人”等）、设置执行机构。 场地分为上中下三路和双方高地，每一条道路都设置有不同的地形和障碍，参赛队伍根据场地特点，有针对性的制作调试机器人来适应不同的道路。 比赛中双方机器人军团通过直接接触对方机器人或者攻击对方基地堡垒得分。就是这看上去并不复杂的比赛规则，让每一个参赛队伍都潜心研究、昼夜创作。

2 从零基础开始制作机器人

2018年7月15 日，郑州铁路职业技术学院机器人科技创新协会和无线电协会共同组成的无线电协会匠心队，代表郑州铁路职业技术学院参加2018年第17届全国Robotac机器人大赛，成功闯进全国前8强，最终取得了全国一等奖的好成绩。短短的两天赛程，5场对抗，看上去简短刺激，像是一场游戏。但是这样的成绩背后，参赛队员却付出了超乎常人的努力，正所谓台上三分钟，台下十年功，这样的成绩绝对不是偶然。郑州铁路职业技术学院参赛队员从2017年11月份开始着手准备比赛，由于这是第二次参加此比赛，指导老师和参赛选手没有什么太多的经验和成果，一切只能靠参赛队员们从头做起，从零突破。

2017年11 月，无线电协会匠心队参赛团队初步形成，参赛队员召开第一次大赛准备会议，队员们讨论整体的备赛方案和参赛机器人类型。由于比赛规则中限制曾经称霸比赛的铲车攻击机构类车型（铲车类攻击机构简单暴力攻击力太强），每个参赛队只能有一辆铲车、一辆不死之神“牛魔王”，所以上场的其他4辆机器人的攻击机构需要参赛队员独自设计制作。最终，参赛队员们初步确定要做的车型机器人有：一辆无敌“仿生铲车”、一辆不死之神“牛魔王”、两辆模仿工业叉车的“仿生叉车”、三辆“手动叉车”、两辆具有强大攻击力的“飞轮战车”。另外本届大赛同往届大赛相比，一条新的比赛规则令参赛队伍不得不慎重考虑“如果一方战队的仿生机器人登上对方堡垒，并保持与地面隔离10秒钟，将立即获得27分比赛最高分，取得比赛的胜利”。所以队员们打算组建特殊作战小组，单独研究速胜机器人“弹跳机器人”。

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目标明确，团队便开始分工安排，每一辆要做的机器人分工到人，团队共分成6个“作战小组”，分别负责不同的机器人和一个后勤小组，负责团队研发需要的材料购买工作和资料查阅工作。目标确定起来看似简单，却更要慎重，因为正确的努力方向，是成功的必要条件。确定目标后，各个作战小组在组长的带领下便开始了创作之旅。一开始各个作战小组尽可能的发挥自己的想象，利用现有的材料，把自己脑子里的机构，通过团队成员的双手变成一件实实在在的事物，这个过程艰难而有趣。而正是这样过程才是锻炼团队成员个人能力和团队协作能力的好时机。什么是成功？把想法变成现实的过程便是成功。各个作战小组把脑海中的机构画成草图，找材料，组合、搭建、安装、钻孔、打磨、可能有时候一个尺寸足够同学们打磨几个小时，问题一个接着一个，刚解决一个问题，新的问题便浮出水面。然而，这种解决问题的能力，正是当代大学生所需要具备的重要能力。有时候，经过不短的尝试，同学们发现原来这样的方案行不通，要推翻重来。这个时候便是考验一个团队凝聚力和意志力的最佳时机，有些同学会因为自己努力了十几天甚至是一个月的方案被完全推翻而不能接受，心理和情绪的问题是最大的问题。然而每个小组长的作用总显得极其重要，组长会在关键时刻给队员以鼓励。组长也经常通过谈心的方式来和队员讨论方案，方案有偏差时可以及时纠正，方案行不通时，组长会组织大家一起讨论，如何在现有的基础的尽快找出合理可行的方案。就是通过一次次的沟通和谈心，组长和队员打成一片，振奋精神继续前行。

3 投入更多的时间努力备赛

为了比赛，团队的同学们放弃了寒假，坚决的选择了留校备赛。做任何事情的前提都必须有一个好身体，留校期间团队的同学每天早上顶着凛冽的寒风坚持跑步、打球等运动。有时候为了解决一个问题，大家都会讨论验证到凌晨。同学们也深知留在学校的意义何在—吃苦磨砺长技能，努力备赛争荣誉。他们明白留校不仅仅是为了在Robotac大赛取得好成绩，而是为了通过这样的比赛提升自己的兴趣和爱好，培养科技创新能力，最终实现人生的价值。他们明白虽然没有了长长的假期却换来了满满的技能，没有了赖床的机会却换来了团队队员们之间深深的友谊。功夫不负有心人，在同学们的共同努力下“仿生铲车”、“牛魔王”、“仿生叉车”模型都已定稿。他们吃过的苦、流过的汗最终都化成了一台台“铁甲战士”。

图4

4 困难重重、逐个突破

然而更加艰巨的问题来了，队员们要把这些实践证明过的模型制作成用碳纤维材料打造的兼顾着重量强硬而硬度坚硬的完美战车才能驰骋疆场。由于学校的大力支持，我们的资金足够购买我们想要的碳纤维材料，然而最艰难的问题在于队员们要掌握3d建模技术，把建好的模型送去打样。于是，队员们便组建建模小组在队长的带领下学习solidworks进行3d建模，从最简单的画线到能画小零件再到能画整个车身。光有这些还不够，打样回来的碳纤维材料因为打样误差，总有些孔对不上，不能很好的拼接，由于经验不足，队员们画的车型机器人，在建模的时候很可能考虑不到一些实际的空间问题。就像队员们一开始设计的叉车为了把重心后移，叉车的前面两个轮子是大轮，后面两个轮子是小轮，第一版叉车经过实践之后发现了新的问题，轮子必须前后都是大轮，如果是前面大轮后面小轮，会出现小轮转速跟不上大轮的情况，后轮磨损严重、转弯困难的问题，最终决定把前后轮都换成大轮。而再改版时候，一个问题被忽视了，那就是车子的倾斜角度问题，后轮换成大轮了，车头就会往下翘，不是最好的车身角度了。如果改装的话就需要一些小的斜面零件来垫高，那么去哪里找正好合适的小斜面零件呢？

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这就要靠cura切片软件将建好的3d小零件模型导入，连接3D打印机来打印了，于是参赛团队便随机应变，分配了两个同学学习3d打印的相关技术，靠着3d打印，队员们的一个一个小问题都在思考和努力中迎刃而解，一辆辆机器人也逐渐完成。就是这样在备赛制作机器人的过程中，队员们需要什么工具，就去学习什么工具，需要建模就去学习solidworks，需要自制小零件就去学习3d打印。再解决问题的同时，培养了学生的科技创新技能，提高了学生的自学能力。

5 沉着应对出现的问题

随着比赛的临近，机器人基本都已经完成，操作手们也开始着手练习对抗。可是越是最后关头，越容易出问题，为了对抗更加真实，买了今年比赛用的新生命柱（生命柱：共有3格血串联在战车机器人的主电路中，生命柱上装有震动传感器，在对抗过程中如果生命柱震动过度会掉血，3格血用完战车机器人自动断电），在对抗的过程中新的问题产生了，装上生命柱的战车速度明显减慢，并且经常断电失控。

参赛队员们着急的抓耳挠腮，却束手无策，这一个问题还没有解决，另一个天大的问题像魔鬼一样降临。仿生机器人的船足（利用仿生物爬行运动的一种运动机构）中的螺丝出现弯裂，这是船足足与足之间剪切力过大带来的后果。两个天大的问题让队员们感到绝望。而就在此时，指导老师的一句话让队员们有了突破口：“你们分成两队解决这两个问题，擅长模拟电路的同学，解决断电的问题，对机械结构有研究的同学解决凸轮中螺丝断裂的问题。”解决断电问题的队员们，经过询问和思考似乎找到了原因，官方生命柱有限流作用，电流超过30A生命柱会自动断电，原来是队员们做的车功率太大了，电流超过的限流值。为了验证这个想法，用钳式电流表，通过测量看电流值是否超出了30A,测量的结果却令人大失所望，显示的电流值没有超过30A，最大的也只不过是27.8A，这又让参赛队员们陷入了沉思，难道是新的生命柱限流小于30A吗？队员又拿来了电子负载，对生命柱进行限流值测试，显示的结果确实实在30A的时候断电。这下问题让人很抓狂，完全没有了思路，陷入了绝境，此时此刻已经是深夜2点多了，其他队员都熬不住了，先去睡了，只剩下两名同学同学还在沉思和测试，难道是因为电流的峰值电流？钳形表测不到？ 为了验证这个猜想，两位队员想到了可以用电容和电感做一个LC滤波稳流，因为电容两端的电压不会突变，它能及时的补充和吸收电路中溢出或者缺失的电流，减小电流的突变，而电感两端的电流不会突变，也有相同的作用，只是选择起来是个问题。一般电容选择大一点就可以，于是，两个队员便在电调（电机的驱动集成电路）的供电端并联了8个容值为2200uf的电容，结果确实好很多，只是没有彻底解决问题，断电的现象还是存在。但是，已经找到了问题和解决方案，下面就是调试的问题了，两个队员开始缠绕不同H值的电感串在电路中不断尝试，并用电桥测试每一次电感的H值。为了完美的解决问题，两位队员尝试很多种电路，经历了层层测试、实践、筛选终于在凌晨6点钟的时候确定了最终方案。

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而就在这一晚，凸轮中断裂螺丝的问题，也得到了解决，断裂螺丝的原因很简单，因为船足结构中凸轮的连接是靠螺丝，螺丝主要承受剪切力，只是这个问题解决起来比较麻烦，到底怎么才能让螺丝不承受剪切力还不改变原来机构具备的运动方式呢？对机械小组的队长想到了一个办法，为什么凸轮之间的连接不用嵌套的方式呢？于是他便用建模软件solidworks建出了自己的脑海中的嵌套式凸轮，凸轮和凸轮之间用凹槽和凸起的圆柱结构相连接，既不影响凸轮的转动又能解决剪切了的问题，同时队员们还将原来用的10.9级的不锈钢材螺丝换成了12.9级的不锈钢材螺丝，增强了螺丝的硬度。

就这样，两个天大的问题被迎刃而解，当然，整个备赛过程中队员们遇到的问题远远不止这些。是他们坚持不懈、永不放弃的精神，是他们不负期望、承担重任的勇气，是他们凭借兴趣爱好无限发扬的力量以及坚不可摧团队协作的魅力，让他们一路走来过关斩将，通宵达旦，最终取得全国一等奖的好成绩。

6 总结

学生通过参加全国大学生机器人大赛RoboTac赛事，学会了solidworks等建模软件、学会了3d打印的基本技能、学会了电机驱动电路的设计等等一系列学术技能，同时提高了学生的自学、动手的能力及遇到问题时沉着冷静的应对困难的能力。最重要的是培养了学生们的兴趣爱好、锻炼了学生们的精神毅力、提高了学生们的团队合作能力、提高了学生的科技创新能力。