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作者:鄭智銘(2002-09-19);修改:鄭智銘(2002-12-17);推薦:徐業良(2002-09-26)
附註:本文為元智大學九十一學年度機械設計實作計劃。

機械設計實作計劃-足球機器人PK大賽

1994年,我犯了一個錯。還有多少人相信我,我不知道」,Roberto Baggio口述著,1998年世界盃全場摒息以待的觀眾,在Roberto Baggio踢進球門的一刻全場為之歡呼。這一場戲劇性的演出也成為令人印象深刻Johnnie Walker廣告中的一幕,一口深呼吸、起跑、出腳,前後不過10秒左右,但是10秒後的結果卻讓Roberto Baggio背負了整整四年的沉重包袱,踢進球門的一刻,是觀眾所期盼的最高潮,也是對自我的肯定。

1.     足球的起源與足球場地

國際足協會公開確認足球運動起源於中國,最早可追溯至二千五百年前的戰國時期,《戰國策.齊策》曾記載蘇秦與齊宣王會面時,提及人民安居樂業,喜歡「蹋鞠」,所謂「蹴鞠」或「蹋鞠」,就是指一種足球遊戲;「蹋」或「蹴」都是指踢,「鞠」則是指球。

國際足球總會(The Federation Internationale de Football Association, FIFA)成立於1904521,總部設在法國巴黎。成立之初只有7個成員,經過多年的努力,與傳播媒體科技的發達所賜,世界盃足球賽一屆比一屆成功盛大,到現在已經成為與奧運會相當的國際最大賽事。國際足球總會的會員,現在已經有204個,比國際奧會還多。報名參加2002年世界盃資格賽的共有193個會員,晉級32強決賽的隊伍更是成為國際媒體的寵兒。

1所示為足球場的全貌,其中最關鍵的也是足球賽競賽中最激烈、最吸引觀眾目光的區域便是如圖2所示進行十二碼罰球的場地,包括罰球點、球門罰球區等區域。

1. 足球場全貌

2. 十二碼罰球場地

2.     足球機器人PK大賽

本學期機械設計實作計劃便是以剛落幕的世界盃足球賽為比賽場景,最關鍵的十二碼罰球為比賽項目,本學期機械設計各單元課程包含機械設計程序、機構設計、傳動元件、電子元件、產品外觀與細部設計等相關知識,本學期機械設計的足球機器人PK大賽實作計畫的內容,便是利用課堂中所獲得的知識,同學逐步設計製作一部足球機器人,進行「足球機器人PK大賽」的球門防守工作。這裡所謂的“機器人”,並非模仿人體形態的機器,而是一個有移動能力,能聽從命令或藉由本身感測器與控制電路對環境做出判斷,而正確做出特定動作之機器。

本學期足球機器人計劃,主要偏重於機構系統、傳動系統、電路系統的設計雨應用,各組所完成的足球機器人必須能夠在球門前進行往復的阻擋動作,如何讓機器人往復性地運動並在規定尺寸內增加防守面積,都是本計畫需要突破的難題。

2.1    比賽場地

3為足球機器人PK大賽場地圖,圖4為球門尺寸,場地由四面透明壓克力版所架構,在十二碼罰球點有一踢球機器人將乒乓球踢出,球門防守機器人僅能在防守區水平方向移動,阻擋踢球機器人射門成功。每次比賽踢球機器人會改變不同位置、方向與速度,成功防守最多球的機器人可獲勝。

3. 足球機器人PK大賽場地

2.2 比賽規則

(1)     除開始將機器人放至定位及啟動機器人之外,比賽過程中操作者和機器人不得有“實體”的接觸,包括不得以線控方式操控機器人,但光控、聲控、無線遙控等方式則可接受。

(2)     場地提供如圖4、圖5所示磁力模組、光線模組,以及3cm高度檔板,寬度均為7.5cm,供各組設置,提供機器人感測。同時並設有寬度7.5cm之軌道以限制機器人行駛路徑。球門後方設置15c15cm洞口可以允許感測器訊號線通過拉出,不能影響場內比賽的進行。

(3)     機器人尺寸在未啟動時尺寸限制為長、寬各為10cm,厚度不限的足球機器人,超過尺寸的機器人視為喪失比賽資格。機器人啟動後方可啟動足、手等裝置增加防禦面積,尺寸以長15cm、寬30cm為最大限制。

(4)     踢球機器人改變不同速度、方向、位置連踢5球,成功防守最多球者得勝,防守球數相同者需延長比賽決定名次,採「驟死賽」,最先失球一組率先淘汰。

(5)     第一次預賽時間為200312,同學依據機械設計課堂中所學得知識,設計一足球機器人參與比賽,完成基本動作需求以及全班前三名的機器人組員便可獲得加分等獎勵。

(6)     最終比賽日期為下學期五月下旬,(正式比賽辦法將在下學期初公布)同學經由機電整合、智慧型控制、可程式控制等課程所學習知識,整合單晶片、感測器等裝置增加足球機器人的智慧與防守能力,全系前五名組別將發給“巨額”的獎勵,另外亦將選出造型最酷、最有創意的前三名作品,發給“巨額”的鼓勵,獲選者可於校慶當天的家長訪校活動中展出。

4. 磁力模組

5. 光線模組

Project 1. 足球機器人PK大賽問題瞭解

(1)   回想世界杯足球賽中守門員防守的動作,大概可以分成哪幾種?選出2~3種你覺得是最有效的動作(特別是防守十二碼罰球)。

(2)   繪圖加上簡單的敘述,從機械的觀點重新描述這些動作,守門員作的這些動作可以如何用機械方式表達出來?

(3)   接下來我們嘗試分析足球機器人PK大戰的顧客需求。你必須要考慮的“顧客群”為哪些?這些顧客可能分別會有哪些“顧客需求”?

(4)   這些顧客需求中有哪些是“必須達到”的顧客需求?各種顧客需求重要性的比重為何?試著以一分到五分的方式評比,分別代表“不太重要”,“有些重要”,“動作彼此作為競爭對手的話,這些競爭對手依據你所擬定出的顧客需求以1~5分方式重要”,“很重要”,“非常重要”五個等級。

(5)   你先前所構想的幾種評分。

依據課堂中所講授的方法將你所評比出的結果填入,完成產品QFD表。檢視你完成的QFD表,你覺得你們未來設計上有什麼幫助或妨礙?