“深海巨鲨”:铁甲“格斗士”
2021-02-24魏晋
魏晋
格斗机器人的比赛很酷,双方都全力要击毁对方。
世界机器人大赛已有30多年历史。3年前,我们哈尔滨工业大学“深海巨鲨”机器人团队首次参赛时,发现国内参赛队多是缺少经验的铁甲爱好者,而国外多数战队已有20多年的造机和参赛经验,其中实力强劲的老牌战队一直占据大部分冠军席位。
功夫练到家
首次参赛,摸着石头过河。为了格斗机器人的攻击力最强,“深海巨鲨”选了一个比能量(体积小能量大)非常高的无刷电机。但硬件匹配测试经验不足,“深海巨鲨”在赛前最后一周的测试中,硬件全部过载烧毁,火焰蹿起1米多高,所有人四下逃窜,火有多大,我们心有多凉。
本来抱着忙了半年终于可以休息一下的心态彻底崩溃,像是西西弗斯眼看自己刚推到山顶的石头又滚落山下。灭火后我们扫了整整一晚上的干粉灭火剂,也商量了一整晚:这么短的时间怎么做planB。
离比赛仅剩一周,我们全队每天24小时在实验室里轮班修改方案,在比赛deadline的前一天终于完成时,所有团队成员都已连续40个小时没睡。
擂台是最公正的法官,不管你过程中有千分努力、万滴血泪,唯有实力才是评判标准。赛场上,在看到获胜希望的最后14秒,我们机器人被英国老牌战队的弹射机器人弹出赛场淘汰,最终只拿到16强。赛场如战场,战场无第二;工夫不到家,淘汰送回家。
第一次参赛失利后,我们做了完整的复盘,将现场所有的机器人都进行了全方位的分析,留下上百页的技术总结,采取多项技术优化措施。
机器结构上,我们用FEA对机器进行分析,实现了重量削弱41.5%,机身强度保留93.7%。自动卸荷装置上,配合自主研发的大功率电机驱动系统,可承受1600A的电流冲击,使武器快速蓄能达55KJ,相当于将120斤的物体击飞到90m的高空。护甲防御上,借鉴了英国二战时,挑战者二型主战坦克的乔巴姆式复合装甲设计,能够实现最大程度的防护。
运动系统是格斗机器人的命脉,一个防御力再高、攻击力再强的机器,运动系统出了问题就只能在场上趴窝,成为任人宰割的羔羊。在研究了上百场比赛视频后,我们得出结论:双轮行驶系统结构简单,转向灵活,便于配合双面行驶(打翻也能行驶)。但赛场上需要紧急后退,就会出现严重的打滑偏移,造成致命失误。相比而言,四轮的优势就是运动稳,只是结构更加复杂,又要占较大的重量,正面对抗驱动力不如双轮。基于以上两点,“深海巨鲨”的运动系统就设计成双轮、四轮优势的结合。
比如内部两个运动电机浮于机器背部,悬空连接在受力小的侧梁上,通过橡胶垫支撑在机器受力主梁,使机身无论受到任何方向的冲击,都很难对电机造成伤害。另外我们采用整机的重量调配,将80%的重量全部放在前轮上。相当于双轮系统,在机器正面对抗的过程中,可以将推动力有效输出。后面的两个轮通过同步带传动过来,使整机采用四驱模式。虽然后部的重量分配非常小,但可以有效地保证整机在后退过程中,满足直線运动要求。而且一旦后轮被攻击失效,设计的软连接会更易脱落,有如壁虎断尾,不影响整机的运动流畅度。同时,一旦机身被对手打翻,后轮就会变为主动轮,利用武器击打墙壁以翻身。这样的创新设计也被评为全场最强运动系统。
由于设计采用钛合金一体骨架机身方案,造价高昂,兜里的经费根本不够再造一台备用。这就意味着如果某一场比赛战损严重到无法在12个小时内修复,即使获胜,也无缘下一战。
怎么办?
我们在“深海巨鲨”整机加工前修改机架,增加了大量的模块化设计结构,提高了机器人针对不同类型对手,能够使用相应的武器和护甲模块进行替换,最大程度地克制对方。这种大量模块化设计虽然保证了机器人损坏所需维护成本可控,却导致部分结构强度降低,大幅增加了赛前模块替换与赛后维修的工作量。
把“锦鲤战队”打成飞鱼,最快KO
时隔一年半的2019年,我们“深海巨鲨”再次来到世界重量级格斗机器人大赛舞台,整个比赛要持续近一个月。在连续熬夜维修、检测和调试的情况下,我们参赛队长时间处于身体疲劳、精神紧张的不良状态中。为了让机器尽可能减少损耗,我们的战略就是快速克敌,或利用强大灵活的运动系统在游击战中拖垮对手。
在大赛的开始阶段,我们游击战术执行得非常顺利,除了机器人的前铲和侧护甲等模块化快换护甲有轻微损坏外,维修任务轻到只剩下替换针对不同对手的装甲武器和检修电路稳定性。在对决美国Battlebots16强“锦鲤战队”时,发现对方武器有多种类型,每次选用武器的方案也是秘而不宣,而我们仅靠网上调研对方机器人资料,几乎不能与他们带上场的武器模块匹配,造成进入赛场时都还在忌惮对方的“秘密武器”。
入场、开赛后,双方小心翼翼试探了10余秒。我们发现对方在寻找“深海巨鲨”侧面,断定锦鲤带上场的是弹射武器。庆幸我们赛前换上的机器人反向行走支撑架,完全不怕被对方武器掀翻,便卖个破绽给出侧面,在锦鲤攻击的同时用正面进攻对方。本想试探一下对方机器人的强度,用50%功率的武器打击在对方运动支架上,没想到直接把“锦鲤”打成了飞鱼,成为当时赛场上最快被KO的记录。这一战之后,引得国内战队和一些知名的国外战队,走马灯似的跑到机器人维修区,看我们“深海巨鲨”各方面的创新细节。
“废铁”被撞
残酷的团队循环淘汰赛开始后,赛事突然开始变得胶着起来。这次比赛有个新规定:组队进行团体2v2对抗赛,即2队一组与另一组比赛。新赛制让我们每场只有30min的快换装甲时间,就需要去面对刚抽到的新对手,出现了大难题:众多的模块化结构在这么短时间内完成替换,就要像方程式赛车进站紧急抢修式维修一样,把所有更换流程压缩到最短,并同步更换。
屋漏偏逢连夜雨。在第二轮的抽签对战中,我们又遇到了国内超强的实力派对手,有着破坏力极强、武器攻击力极高的机器人“废铁”,它有国内所有机器人中最大破坏力转鼓武器,既能在旋转中破坏对手,又能在旋转中快速调整自身战斗姿势。
我们和“废铁”对抗前,都选择了同类型攻击性较弱的防御类举升机器人“雷霆”和“推土机”作为“友军”,攻守配合成了这第一个赛点的取胜关键。开局,我们双方机器人都默契地利用友军作为掩护,与对方拉开距离并把武器拉升到过载边缘的极限速度,以求能抓住开局,咬住对方侧后方,给出关键的致命一击来快速结束战斗,避免长时间的鏖战来减少自己损伤。上场的4台机器人在数百平方米的场地中互相迂回包抄寻找机会,直到双方举升类机器人都已默契地阻挡在对方后退的必经之路上时,一齐选择正面向敌,并将运动速度与武器都推到了极限——一击之后,破坏力虽没让双方造成严重损坏,却让“废铁”在我们“深海巨鲨”的高速冲击中被击翻。翻身复位是“废铁”最拿手表演,只见转鼓高速旋转的陀螺效应,让整个机器人侧向立起,并借助惯性完成翻身;驾驶员熟练地利用机器人翻身瞬间,让进攻方向变化实现出其不意地绕侧完成击飞动作。虽然我们和友军提前研究了多种对付“废铁”这种战术的方案,但在这转瞬即逝的机会中也来不及沟通,只能快速预判落点来阻止“废铁”。友军的举升机器人快速到达“废铁”翻身后落地位置,并将“废铁”背了起来。我们“深海巨鲨”也顺利地接过友军助攻,从中背后直接击中了试图再次翻身落地的“废铁”尾部,“砰”一声,将它击飞了半个场地的距离。
“废铁”驾驶员知道机器人受损后时间越久,性能下降会越严重,便完全放弃了迂回躲避和保存机器人实力利于维修的战术,让“废铁”突然像只受伤而发狂的野兽,在场上追着所有敌方机器人任何能接触到的位置连续击打。而我们“深海巨鲨”尝试使用第一次对抗的方案时却出了问题:虽然再次正面对抗将“废铁”击飞,却并没有击翻。自身一个前铲被打击翘起,导致不能有效铲起对方机器人進行打击。
面对“废铁”的疯狂进攻,“深海巨鲨”正面对抗已经难以再次取得优势,只能选择继续迂回的战术,利用两个防御性能好的举升机器人作为障碍,在场上和“废铁”不断拉开距离。但这种相持战术也被“废铁”驾驶员凭借丰富的经验找到了机会,在两个举升机器人互相角力停下时,绕过他们直奔“深海巨鲨”侧边。此时“深海巨鲨”攒足了力气,把运动的起步加速度和运行速度都推到了极限,在对方预判必然会撞击的轨迹上一骑绝尘躲开,让加满功率的“废铁”一头撞向场地边缘。武器性能已严重受损的“废铁”,仍然挟着怒火硬是将场地护栏上碗口粗的合金障碍上的尖刺一击打飞。这惊人的破坏力让我们吓出一身虚汗。
错失最后一次满功率进攻机会的“废铁”,在场上不再有任何翻盘机会,被“深海巨鲨”和友军“雷霆”两面夹击,终于完全失去了动力。这一战使我们以雷霆万钧之势挺进总决赛。
掀翻“战神”,“猫王”打成“三脚猫”
总决赛拉开帷幕。赛制调整为5V5战队决赛“一战到底”,任何机器人只要上场,无论对阵对方几个机器人,都要打到不能动再下场,中途不能有任何充电、维修等操作。我们战队基本都是国产机器人,在之前打入决赛时,多数机器人已损伤严重。而对方机器人中有4个,都是近几年表现强劲的英、美国老牌机器人强队,尤其是本赛场常胜将军“极速代码”和上一届铁甲雄心冠军“暗影猎手”,准备联手拿下本次冠军。无论是评委还是观众,几乎是一边倒看好这些纸面数据更强的国外战队。
“深海巨鲨”作为我们战队中本赛季出战次数最多,对阵国外战队也在目前是全胜纪录,必须扛起决赛先锋重任,纵使不能势如破竹一鼓作气,也要挫其锐气,把原本倾向对方的胜利天平,压回我们这一方。
最后一次上场的“深海巨鲨”倒是像过新年的小孩,毫无负担换上一身仅剩的全新备件,把之前尽可能保护得严严实实的钛合金一体机身,大方展现给对手,配合换上了掀起对方效果最好的小浮动铲子。
决战场上,首个对战的是英国凿击机器人“战神”。由于“战神”从顶部攻击,在对抗中不需要运动具有大扭力推动对方,所以这台机器人把运动的功率全堆在了提高运动速度上,虽然调研中已知对方运动速度惊人,却没想到“深海巨鲨”高达14kw的运动方案在设计上更侧重扭力,满速状态竟然追不上对手。而对手更是复刻了我们之前赛场上高速扰袭战术,打了就跑,不破坏对方只追求打击得分,绝不给“深海巨鲨”一次咬上去的机会。每次“深海巨鲨”蓄力追击都会被对方高速躲开或用机身前部超长的铲子阻止靠近,每次自信满满的全力一击都像打在棉花上。
发现对方这一战术后,我们为了防止过度耗电导致无法坚持到后续对战,便及时降低了武器功率,只在对方试图高速贴近打击得分时,朝向对方小幅追击寻找机会。直到对方一次躲避我方攻击失误蹭到场地边缘减速时,“深海巨鲨”才抓住了机会,从后方一击掀翻“战神”锁定胜局。
第二场的对手是来自美国退休教授制作的“猫王”机器人,与“深海巨鲨”的结构类似,在本赛季出站次数较少,使结构强度几乎没有任何磨损,更是自信满满开场就是一副“猫吃鱼”的追击姿态。而“深海巨鲨”也不是吃素的,在第一轮保守战术中,让机器人运动与武器电机仍能快速加到满速,使对方正面扑空后,抓住“猫王”侧面,满速地咆哮着实施连续打击,将对方从场地中间一路打到场边。一侧运动失灵的“猫王”成了“三脚猫”,一脸惊愕退出了赛场。
最后一口气,“正常,继续”
仅有一半电量的“深海巨鲨”,终于迎来了场上最难啃的骨头“极速代码”。这个被称为破坏之王家伙,多次把对手打到电路起火。而我们模块化设计也有针对性地设计了重达23公斤的前护甲,能阻止旋转类武器起转。但是场上规则限制下,只要走上赛场,哪怕一颗螺钉都不能更换,我们所带最轻的浮动铲重量不到5公斤,在“极速代码”的破坏力前面无异于在场上直接顶着钛合金机身“裸奔”,仅有3分钟的中场休息下,我们速开战术会议,估计了目前状态获胜概率渺茫,能够给对方任何一次有效打击,能接下对方任何一次打击消耗电量,都是为大团队的胜利多铺上一块垫脚石。就算是被打碎,就算“深海巨鲨”永远都无法修复,也要从对方身上撕下一块肉来。
抱着破釜沉舟的心态,我们陪着“深海巨鲨”走上了第三轮的守擂之路,虽然知道现在即使退出,队友也依然有可能靠着机器人数量优势去冲击冠军。但我们也不得不承认,夺冠之前,面前还有两座大山,那就是“极速代码”和“暗影猎手”,如果不能搬走这两座大神,任何一个都有以一敌三的实力,任何的疏忽都可能把我们整个团队好不容易争取的冲击冠军的机会葬送掉。
比赛开始,没有任何犹豫,“深海巨鲨”武器与运动都在瞬间拉满,对方武器起转时间更长,这是本已经落下风的比赛中,唯一可以抢占先机的機会。我们也抓住了这次机会,在第一次就将对方击飞,并连续趁势追击,不到十秒时间内连续三次击飞对手,直到最后一击将对手一侧运动皮带都打出来了。但对手在缺少一个运动轮子的情况下迅速找准了前进的方向,靠着最小的移动竟然连续避开了我们两次进攻,并把武器蓄能拉到了最大转动惯量。
“极速代码”毕竟是老牌强队,简单的两个操作,能从一侧几乎运动失效的劣势中迅速掌握局面,又重新把赛场当成猎场,满功率攻击下少有机器能存活过两分钟。只见把武器满转速动能达到200KJ的“极速代码”步步紧逼,带着刚刚被打击的损伤,甚至运动有一点蹒跚,却怒气冲冲稳步堵死对手所有可能避开的方向。“深海巨鲨”剩下的电量恰好可以和对方迂回两分钟,但想打赢对方已经绝不可能了。
最后我们决定,只要“深海巨鲨”还有一口气,就要和对方磕到底。这注定是“深海巨鲨”的最后一战,它挥动着已然无力的武器,加满速度冲向满功率的“极速代码”。如果我们是乘坐在“深海巨鲨”铁甲内的驾驶员,心中应该有邓世昌身影,“深海巨鲨”就是致远舰,明知向前是覆灭,却从未动摇。浮动铲在第一击碎成了几乎看不到的碎片,接下来是侧护甲被打坏,再往下就只剩下钛合金骨架了。虽然只有5公斤的复合装甲,却让“极速代码”打到手软,在这已经没有前护甲的“深海巨鲨”身上,打不出一丝狩猎的感觉。“深海巨鲨”即使被击飞大半个场地,还能加满速度上前用自己的侧架、尾护甲、钛合金机架,轮番接下“极速代码”的怒火。我们也在心中默数着被对方击飞的次数,场上的沟通逐渐简化成一句话:“正常,继续!”
终于在第十六次,又是一次满速的机身与满功率武器的碰撞,比之前所有的总和还要响。“深海巨鲨”钛合金骨架变形,卡住了一侧运动的主动轮;“极速代码”武器也开始异常减速,运动传动损坏,武器报废再无法起转。
决赛的第三场,剩下4台队友对阵国际联盟两台机器人和几乎完全损坏的“极速代码”,虽然上届冠军“暗影猎手”在场上打出了以一敌三的战绩,却抵挡不住我们在数量上的绝对优势。这场复仇之战终于让我们斩获总冠军。