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  First機(jī)器人競(jìng)賽（Inspiration and Recognition of Science and Technology）的冠軍榮譽(yù)，讓參與到其中的高中學(xué)生們?nèi)橥度氲皆O(shè)計(jì)世界中：他們必須在面對(duì)各種艱難的抉擇、時(shí)間的限制和各種約束下，達(dá)到設(shè)計(jì)項(xiàng)目的目標(biāo)。眾多由10－20個(gè)學(xué)生組成的參賽隊(duì)伍，以及他們的老師，手上只有一套標(biāo)準(zhǔn)的工具，必須在六周內(nèi)完成一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。下面的一份2007年和2008年團(tuán)隊(duì)參賽經(jīng)驗(yàn)，是由一個(gè)參賽學(xué)生所寫的。  
　　所有參加First機(jī)器人大賽的隊(duì)伍必須在六周內(nèi)完成設(shè)計(jì)并建造一個(gè)機(jī)器人，所以他們必須擅長(zhǎng)積極高效的設(shè)計(jì)，并且要準(zhǔn)備好克服比賽過(guò)程中可能出現(xiàn)的任何問(wèn)題。來(lái)自德州奧斯丁市文理學(xué)院（LASA）高中的418號(hào)隊(duì)伍 －aka Purple Haze － 連續(xù)參加了過(guò)去八年的比賽。他們?cè)?007和2008年的比賽中遇到了尤其棘手的難題。  
　　在設(shè)計(jì)今年的Zephyr機(jī)器人時(shí)，418號(hào)隊(duì)伍將重點(diǎn)放在兩個(gè)因素：人類工程學(xué)和自適應(yīng)。他們需要設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單、易移動(dòng)的緩沖系統(tǒng)，并在制作時(shí)采用一個(gè)支架來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：該支架會(huì)滑動(dòng)到底盤的鋁框架內(nèi)，利用吊環(huán)螺釘來(lái)依附在上面。人機(jī)工程設(shè)計(jì)讓機(jī)器人可以輕松立起，而Zephyr能以自適應(yīng)模式平穩(wěn)工作。  
　　在前一年的競(jìng)賽中，LASA的參賽隊(duì)面臨著兩個(gè)主要難題：設(shè)計(jì)一個(gè)可以達(dá)到比賽苛刻要求的合適且牢固的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)一個(gè)可以用于機(jī)器臂的直觀控制機(jī)制，讓新手也可以順利操作機(jī)器臂。  
　　在2007年的“Rack ’in’ Rol”大賽中，機(jī)器人必須將內(nèi)管放在運(yùn)動(dòng)的八角齒條上，同時(shí)防止其受阻。LASA隊(duì)制作了PHunky：一個(gè)通過(guò)雙關(guān)節(jié)機(jī)器臂來(lái)操作游戲部件（充氣的水銀整流管）的六輪機(jī)器人。要設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)系統(tǒng)是很困難的，因?yàn)樵谟螒虻牟煌h(huán)節(jié)中，力量和速度都是非常重要的：力量是用來(lái)防守和得分，而速度則是用于“重裝”機(jī)器人的操控器并將之移動(dòng)穿越整個(gè)游戲區(qū)域來(lái)占據(jù)最佳位置。  
　　LASA隊(duì)從一份其它First參賽隊(duì)所寫的白皮書上找到了靈感，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)和改進(jìn)其自己獨(dú)特的“DeWalts”設(shè)備（包含F(xiàn)irst組委會(huì)提供的CIM馬達(dá)和DeWalt XRP鉆孔傳動(dòng)）。這些傳動(dòng)可以在三組齒輪間替換，讓LASA隊(duì)能夠在運(yùn)行中轉(zhuǎn)換減速比。  
　　為了排除障礙物，PHunky的第一擋的12:1 I/O比可以提供足以排除任何路障的動(dòng)力，而在第二檔時(shí)，這個(gè)重120磅的大家伙速度可以達(dá)到14英尺/秒，足夠超越任何對(duì)手。LASA隊(duì)通過(guò)在一個(gè)雙軸數(shù)控機(jī)床上制作的定制型安裝板，使馬達(dá)和傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)匹配。而轉(zhuǎn)換則是通過(guò)將伺服機(jī)和實(shí)心銅線連接到傳動(dòng)的速度選擇杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。  
　　雖然這支隊(duì)伍在First參賽歷史上還從未遇到過(guò)CIM馬達(dá)出錯(cuò)的情況，但隊(duì)員們非常清楚，光靠DeWalt裝置不足以確保PHunky不會(huì)因?yàn)轳R達(dá)故障而成為對(duì)手的獵物。他們需要有兩個(gè)馬達(dá)給機(jī)器人的兩端提供動(dòng)力，就算有一個(gè)出現(xiàn)故障，其對(duì)應(yīng)的一端也能隨著另一端馬達(dá)向前移動(dòng)。  
　　帶著這種想法，隊(duì)員們決定采用這樣一個(gè)系統(tǒng)：將中輪軸上的兩個(gè)鏈輪齒通過(guò)底盤內(nèi)的一個(gè)25號(hào)鏈條連到前軸和后軸，由兩端的兩個(gè)馬達(dá)給底盤外部的中輪和后輪輸送動(dòng)力。  
　　而負(fù)責(zé)控制功能的團(tuán)隊(duì)，則將其重點(diǎn)放在機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)方面：雙關(guān)節(jié)的機(jī)器臂和操控器。在開(kāi)發(fā)和最初測(cè)試的階段，控制團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)單的操縱桿來(lái)操控機(jī)器臂的動(dòng)作，一個(gè)操縱桿控制一個(gè)關(guān)節(jié)。然而，雖然這樣可以精確控制機(jī)器臂，但機(jī)器人操作員發(fā)現(xiàn)這樣做是很愚蠢的。在實(shí)際操作中，操作員曾經(jīng)意外地將機(jī)器臂操控到地上，還導(dǎo)致齒條反轉(zhuǎn)，因而損壞了機(jī)器臂。  
　　他們很快開(kāi)發(fā)了一套用于機(jī)器人操作員的新控制系統(tǒng)，并按照最先提出這一創(chuàng)意的Lewis的名字，將之取名為L(zhǎng)ewis Arm。Lewis Arm是依照真實(shí)雙關(guān)節(jié)機(jī)器臂制作的1/6大小的模型，關(guān)節(jié)上裝有電位計(jì)。（由于競(jìng)賽要求的控制系統(tǒng)帶來(lái)的硬件限制，電位計(jì)被用來(lái)替換數(shù)字編碼器。）  
　　隊(duì)員們將相似的電位計(jì)安裝在真實(shí)的機(jī)器人關(guān)節(jié)上，并校準(zhǔn)兩個(gè)系統(tǒng)上的電位計(jì)，讓Lewis Arm上的某個(gè)位置和真實(shí)機(jī)器臂上的一個(gè)位置對(duì)應(yīng)上。隨后讓操作員以模仿方式操縱機(jī)器人，給控制臂“擺姿態(tài)”使得機(jī)器臂移動(dòng)到同樣的位置。隊(duì)員們?cè)贚ewis Arm上添加機(jī)械終止，使之不會(huì)讓真實(shí)機(jī)器臂收到任何損壞。使用Lewis Arm比操縱桿更為直觀。  
　　機(jī)器臂控制算法的編寫和測(cè)試要更為復(fù)雜一些。還有四天就要提交作品了，機(jī)器臂已經(jīng)被安裝在機(jī)器人上，隊(duì)員們不能在機(jī)器人身上過(guò)多地測(cè)試機(jī)器臂控制算法，因?yàn)樗谝恢辈煌５乇徽垓v。由于測(cè)試讓所有工作都被迫停止，測(cè)試不能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致他們無(wú)法按時(shí)完成機(jī)器人的制作。 

Purple Haze團(tuán)隊(duì)以及Lewis Arm控制機(jī)構(gòu)

　　控制團(tuán)隊(duì)隨后采用NI公司所提供套件中的LabView圖形編程語(yǔ)言，來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)用于測(cè)試算法的簡(jiǎn)單的仿真工作臺(tái)。利用這個(gè)工具，隊(duì)員們發(fā)明了一個(gè)“虛擬機(jī)器臂”來(lái)創(chuàng)建并調(diào)節(jié)機(jī)器臂控制算法。隊(duì)員們采用LabView公式節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)出算法 － 這是一種利用C類語(yǔ)言來(lái)在LabView中評(píng)估和開(kāi)發(fā)基于數(shù)學(xué)的原文算法的方法。因此，一旦代碼編寫完成，隊(duì)員們可以將之復(fù)制到機(jī)器人資源代碼中，并擦除所有原來(lái)的代碼。  
　　PHunky的控制系統(tǒng)還利用LabView來(lái)對(duì)機(jī)器人的特征和隨時(shí)狀態(tài)進(jìn)行圖形化展示。利用來(lái)自機(jī)器臂和控制臂上的電位計(jì)的數(shù)據(jù)，LabView以圖形方式展示真實(shí)機(jī)器臂的實(shí)時(shí)位置以及Lewis Arm的位置。這一方案可以快速診斷出任何問(wèn)題。  
　　LabView還會(huì)根據(jù)電位計(jì)的讀數(shù)和機(jī)器臂的物理特征，進(jìn)行復(fù)雜的集合計(jì)算來(lái)提供關(guān)于機(jī)器臂的更多信息，例如當(dāng)前的高度和位置（這一點(diǎn)賽事要求的控制系統(tǒng)是很難做到的）。  
　　操作員不能總是將眼光停留在裝載于控制系統(tǒng)上的筆記本上。為了提供另一個(gè)視覺(jué)指示，隊(duì)員們?cè)跈C(jī)器人操作員的視力區(qū)域內(nèi)安裝了一個(gè)定制型的光棒，在機(jī)器臂到位時(shí)作出指示，來(lái)在某個(gè)指定齒條水平上得分。LabView和國(guó)家儀器公司的一款USB-6009型數(shù)據(jù)采集設(shè)備通訊，來(lái)控制安裝在光棒上的自動(dòng)型LED。  
　　PHunky的機(jī)器臂是由賽會(huì)所提供的兩個(gè)Fisher-Price馬達(dá)來(lái)供給動(dòng)力的。隊(duì)員們發(fā)現(xiàn)在提取24A的電流達(dá)數(shù)秒鐘后，馬達(dá)內(nèi)置的一個(gè)熱關(guān)斷開(kāi)關(guān)會(huì)將操作停止，直到其足夠冷卻并重置。但是機(jī)器臂卻會(huì)一直失效。  

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　　隊(duì)員們的第一個(gè)想法，是執(zhí)行可以在電流達(dá)到24A之后讓機(jī)器人關(guān)節(jié)短時(shí)間失效的代碼。但是，這樣做會(huì)讓機(jī)器臂在最需要其動(dòng)作時(shí)很難控制，而隊(duì)員們發(fā)現(xiàn)，如果能讓機(jī)器臂在“危險(xiǎn)區(qū)域”運(yùn)行哪怕幾秒鐘的時(shí)間，都可以極大提高得分能力。因此，隊(duì)員們利用Labview來(lái)監(jiān)控電流感應(yīng)器，并在電流到達(dá)危險(xiǎn)數(shù)值時(shí)以圖形方式向操作員發(fā)出警報(bào)。  
　　在2007年的First Lone Star休斯頓區(qū)域競(jìng)賽中，418號(hào)參賽隊(duì)向評(píng)委們提交了這一作品，獲得了控制方案創(chuàng)新獎(jiǎng)。  
　　人機(jī)工程學(xué)和自適應(yīng)  
　　制作了PHunky之后，機(jī)器人操作員認(rèn)識(shí)到他們需要就機(jī)器人被抬至和抬出場(chǎng)地的方法以及緩沖器附加的方法采取些措施。在舊的附加系統(tǒng)中，緩沖器被固定到底盤上，會(huì)由于機(jī)器人在低坑型場(chǎng)地花費(fèi)的過(guò)多時(shí)間而導(dǎo)致問(wèn)題。在比賽的短時(shí)間中，當(dāng)效率成為重要因素時(shí)，這樣的延遲是無(wú)法接受的。  
　　此外，PHunky并未被設(shè)計(jì)成一個(gè)電機(jī)工程學(xué)類機(jī)器人。隊(duì)員們必須常常握住輪子把機(jī)器人抬起來(lái)，導(dǎo)致不必要的彎曲。當(dāng)418號(hào)隊(duì)伍準(zhǔn)備設(shè)計(jì)Zephyr開(kāi)始2008賽季時(shí)，所有這些因素都是其所要考慮的主要問(wèn)題。  
　　他們的方案是，采用一個(gè)可滑動(dòng)到底盤鋁框架內(nèi)的支架，利用螺絲眼來(lái)依附在上面。除了讓緩沖器的移除變得簡(jiǎn)單，這個(gè)設(shè)計(jì)方案還讓隊(duì)員們能通過(guò)“夾鉤”來(lái)利用另一種新的開(kāi)發(fā)方式。  
　　由于這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)改變，隊(duì)員們將機(jī)器人搬到或搬出場(chǎng)地的效率提高了，空出了一段雖不長(zhǎng)但至關(guān)重要的維修時(shí)間。隊(duì)員們可以快速移除前后緩沖器，并能在返回低坑型場(chǎng)地后幾乎立刻開(kāi)始操作。  
　　2008 First機(jī)器人賽季“Overside”為那些能在15秒的自適應(yīng)模式中高效得分的參賽隊(duì)提供了豐厚獎(jiǎng)金。2007年，418號(hào)隊(duì)成員決定放棄自適應(yīng)模式，但在2008年，隊(duì)員們感覺(jué)有必要參加自適應(yīng)模式比賽了。由于自適應(yīng)操縱模式時(shí)間較短，隊(duì)員們選擇繞著軌道跑圈來(lái)獲得盡可能多的分?jǐn)?shù)。  
　　機(jī)器人必須自己確認(rèn)在場(chǎng)地上的位置，以及何時(shí)左轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，隊(duì)員們?cè)隍?qū)動(dòng)系統(tǒng)上安裝了編碼器，根據(jù)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)計(jì)算運(yùn)行的距離。他們采用一個(gè)回轉(zhuǎn)儀來(lái)確認(rèn)機(jī)器人的方向，并確認(rèn)其是否在運(yùn)行一段預(yù)定距離后已轉(zhuǎn)彎90度。只要掌握了輪子的周長(zhǎng)和機(jī)器人運(yùn)行的速度，該系統(tǒng)可快速并精確校準(zhǔn)。  
　　LASA隊(duì)已經(jīng)在展望First的2009年賽季，計(jì)劃采用國(guó)家儀器公司的新型控制系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建一個(gè)新的機(jī)器人。

完整的機(jī)器人及其底盤