//Logo Image
最近更新:徐業良(2004-09-07)﹔推薦:徐業良(2004-09-07)
附註:本文為年元智大學機械系大三機械設計課程學期實作計畫。

機械設計學期實作計劃-足球機器人PK大賽

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,足球發源至今已歷經了兩千五百年,風靡了世界廣大的足球迷。

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。

足球場中最關鍵的、也是足球賽競賽中最激烈、最吸引觀眾目光的區域,便是進行十二碼罰球的場地,包括罰球點、球門罰球區等區域。本計畫「足球機器人PK大賽」便是以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,同學們利用機械系課程中所獲得知識,設計並製作一個足球機器人,在PK大賽中進行球門防守。

「足球機器人PK大賽」分成兩階段進行,在上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,同學已具備了機械設計與原型製作上的基礎能力,並已逐步設計製作一足球機器人,並於學期末在班上進行預賽。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。隨著其他課程如電子電路學、自動控制、機電整合、可程式控制、與智慧型控制等課程的學習,同學可將課程中學習之機電、控制技術實際整合應用於足球機器人的進化改造,加強其感官知覺、判斷智慧、以及動作控制,提高防禦成功的機率,並在下學期進行全系性之競賽。

1.     比賽場地

1為足球機器人PK大賽場地尺寸圖,球門依據實際的足球比賽場地等比例縮小,實體如圖2所示,場地底面與四周均由透明壓克力版所架構,射門機器人設置於十二碼罰球點處(70cm),將直徑4cm的乒乓球踢出,足球機器人在防守區水平寬度10cm、深度約1公分的固定軌道中水平移動,阻擋踢球機器人射門成功。

1. 足球機器人PK大賽場地

2. 足球機器人PK大賽場地

2.     比賽規則

(1)   足球機器人PK比賽,採單循環淘汰制,兩隊互相攻守,一隊操控助教製作之踢球機器人射門,一隊操控由同學製作的足球機器人進行球門防禦的工作。每隊各踢5球,踢進一球得1分,分數高者獲勝。若5球踢完兩隊同分,則進行延長驟死賽,直到分出勝負為止。

(2)   比賽時各組足球機器人輪流進行,輪至該組時同學始可將足球機器人與設備在競賽場地進行安置與測試,需在3分鐘之內完成,否則裁判將逕行宣布比賽開始,開始射球。

(3)   比賽開始後,由射門機器人隨機改變不同射門角度、高度、與射門時間,連續發射5球,足球機器人必須在防守區水平寬度10cm的固定軌道中水平移動,阻擋射門機器人射門成功。

(4)   競賽場地中提供10cm立方檔塊模組、磁力模組、以及光線模組,提供足球機器人極限開關、磁簧開關、以及光控開關等,作位置感測與動作控制使用。同學也可自行製作所需裝置,但除了立方檔塊可設置於固定軌道兩側外,比賽場地上不得放置任何裝置與感測器,所有裝置僅允許設置於透明壓克力場地下方,不能妨礙比賽進行,機器人訊號線由球門後方出口拉出。

(5)   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,也不得以無線遙控方式操控機器人,但光控、聲控等方式則可接受。

(6)   防守機器人馬達與電源無任何限制,機器人尺寸在未啟動時長、寬須小於10cm,厚度不限,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。

(7)   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,並於適當時機展出。

第一章實作計畫:足球機器人PK大賽問題瞭解

(1)   回想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。

將你先前所構想的幾種動作加以評分,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?

第二章實作計畫:足球機器人概念設計

在前一個project中,我們已經對足球機器人的顧客需求、設計目標等,做了仔細的思考,接下來則是開始要產生足球防守機器人的概念設計。我們首先可能得運用一下「視覺思考」,為我們的產品想像、敘述一個“故事”。以Johnnie Walker廣告為例,比賽開始全場肅靜,守球員正緊盯著冷靜地走向罰球點的Baggio,球一踢,守門員眼睛追蹤著足球在空中劃過的弧線,剎那間頭腦思考後決定了千百種軌跡中最可能的一種,守門員伸出雙手縱身檔球,在這短短十秒所發生的動作,是感官感覺、大腦思考、肢體動作等一連串的複雜交互作用所產生的一種藝術。

我們所設計的足球機器人也是如此,足球機器人必須感測、判斷足球的軌跡,經過思考後做出防守的各項身體與肢體的反應,在數百種可能的功能性動作之中,並不是每一種方式都是可行的,我們必須考慮在達成功能的同時,肢體與整體身體動作時是否會造成干擾、過重過長的雙手是否會過慢的反應時間?是否可能造成不預期的結果?這些問題的思考都可以在“故事”發展的過程中浮現。對整個“故事”有了完整的敘述之後,你便可以一步一步歸納出你的設計需要哪些功能、子系統等等。

(1)   構想你所要設計的足球防守機器人在防守足球時完整的程序,敘述一個詳細的“故事”,甚至包括開啟開關、肢體動作幅度等等所有你所想得到的小事。在你的“故事”中,重點在敘述你的產品“要做到哪些事(what)”,還不必敘述“如何做到這些事(how)”。

(2)   在你的“故事”中,你的產品要達成的大大小小功能包括哪些?哪些功能可以集合在一起,成為一個子系統?你的產品一共需要多少子系統?為每一個子系統取個名字。每個子系統的輸入、輸出為何?子系統之間如何產生交互作用?請用系統概要圖(schematic)表示之。

(3)   在你產品子系統中,哪一個或哪幾個是“關鍵的子系統”?為什麼?針對這個關鍵子系統如何達到所需的功能提出概念設計,以簡略圖形和文字表達你們的設計概念,並敘述你們曾經思考過哪些設計概念,以及你們的評估的方式和過程。

(4)   關鍵的子系統概念設計確認之後,接著對其他子系統產生搭配之設計概念,以簡略圖形和文字表達。

(5)   根據前面的設計分析之後,開始構思你的產品“長什麼樣子”,包括各子系統在空間中相對位置、大略尺寸等等。以電腦繪圖或徒手繪圖方式將整個產品畫出來,並且加上文字敘述,完成你整個產品的概念設計。在這個過程中,先不要過度擔心技術上如何達成此設計,或者是否能達成此設計,後續作每一個子系統的細部設計時,還有許多修改的空間。

(6)   敘述在這個產品概念設計過程中你所得到的心得。

第三章實作計畫:足球機器人傳動元件選用與系統設計

在前面兩個實作計畫中,同學們已經針對足球機器人建立了設計需求並產生了各種設計概念,接下來的各個實作計劃我們將隨著課程進度,逐步地完成足球機器人的各項子系統。首先我們便是進行足球機器人傳輸動力的傳動系統進行設計。

3.1.       以樂高元件進行傳動系統概念設計

各小組目前均為己設計的足球機器人擬定了一份故事,也思考規劃了足球機器人預期產生的動作以及概念設計、空間配置方式等。樂高(Lego)是市面上很受歡迎的組合玩具,也是許多學校在教授機械設計、機電整合時經常用來組裝各種概念設計原型的工具。這個實作計畫首先將自己所設計足球機器人的傳動系統以樂高元件組合呈現,藉此我們可以實際呈現足球機器人的傳動系統的動作,觀察是否會產生不預期的動作或未想像到的情形。

(1)   你們所規劃的足球機器人故事中,足球機器人需要達成哪些防守的動作?接下來的設計計畫還要繼續進行機構與控制系統的設計,這裡先把焦點放在動力傳輸的部分,試著再以說故事的方式,由機械角度更細節地敘述傳動系統動力源是如何帶動傳動元件,並完你們所想像的指定動作?你們所設計的傳動系統共需要幾個動力源?動力是否需要長距離的傳輸?是否需要作90度轉向?你預期以哪些傳動元件完成你們的傳動系統?

「機器人學苑(http://www.erobot.com.tw/)」,是一個針對樂高所設置的網頁,包括各項樂高機器人比賽、線上教學等內容,同學可以至此網頁瀏覽,尋找是否有適合範例可以作為改裝成你們足球機器人的傳動系統的依據?同學並試著觀察日常中的事物的傳動系統,是否有適合可以作為改裝成你們足球機器人的傳動系統的依據?

(2)   實際利用樂高元件組合出你們足球機器人傳動系統預期達成的動作,拍下你們當天傳動系統實際動作的情形,可以附加在實作計畫報告中。除了實體照片之外,亦請將你們的傳動設計以簡圖表示,並說明其傳動方式、計算其減速比等。

(3)   你們所設計的足球機器人傳動系統,實際呈現時是否遇到當初沒有考慮到的問題?或是察覺當初的設計概念是不可行的,整個實作的過程中對你們足球機器人的設計以及問題的釐清是否有所幫助?你們的足球機器人是否因此進行設計變更?

3.2.       足球機器人傳動系統原型製作

以樂高元件確立了設計概念之後,這次實作計畫最終目的在將足球機器人傳動系統原型製作出來。在機械設計與原型製作的過程中,同學也需要培養搜尋資料、與廠商溝通、選用適當的原型工具、以及控制預算的能力。

傳動系統原型製作最簡單的作法,便是利用模型與玩具的傳動元件進行製作,在一般四驅車與模型店販賣各式各樣的齒輪、皮帶、軸承等傳動元件,同學可以參考「積奇屋網站(http://www.jackyhouse.com.tw/)」。網站中並列有台灣各地區模型店的資料,同學可以實際至各商家進行採購,將會發現更多適合的傳動元件。

在模型店中若不能找到適合的傳動元件,也可以到專門生產齒輪與各項傳動元件的廠商詢問與購買,同學可以在網路上自行尋找附近地區各式傳動元件的供應商,如果還是無法找到適合元件,仍可委託工廠進行訂製的工作。

(1)   在進行資料搜索與實際購買之後,請將你們足球機器人所需要的傳動元件規格與來源列表。在採買的過程中是否有遇到困難?有沒有找到很酷的元件或者很酷的店?請分享你的心得與發現。

(2)   在傳動系統設計與傳動元件選用的過程中,你是怎麼決定各傳動元件的規格?請描述你們選用元件的決策過程。

(3)   實際進行傳動系統製作的過程中,你們是否有不預期的狀況發生?你們如何排除這些問題?

(4)   實際製作將你們足球機器人的傳動系統,以照片或圖片方式說明你們傳動系統作動的原理與作動方式,達成何種動作。

第四章實作計畫:足球機器人擋球機構設計

機構設計是機械設計領域中最古老也是最迷人的項目,日常生活中隨處可見到機構應用的例子,往往藉由極具巧思且簡單的機構設計便能達到功能性與實用性的目的。本實作計畫便是希望同學能藉由觀察日常生活中各種機構的動作原理,藉以運用於足球機器人擋球機構機構的設計,並且利用原型製作材料實際進行機構的原型製作。

(1)   觀察你週邊事物的機構,有哪些機構的動作方式可以運用於足球機器人檔球的動作?你所選擇的物件包含哪些機構元件?這些機構可否以連桿、接點等方式表達?選擇幾個可能的檔球機構設計概念,嘗試以機構的“骨架圖”搭配文字說明的方式,以機構上的專業名稱解釋其動作原理表達此機構的原理,並說明這些機構要如何與你的足球機器人相結合?

(2)   你所設計的足球機器人檔球機構,必須在偵測足球活動後以最快的動作速度、最大的阻擋範圍阻擋足球進球門,在設計你的檔球機構時可能要考慮到的問題包括,機器人要如何判定踢球的時機?你要如何增加足球機器人防守的成功率?你是如何決定各連桿的長度尺寸?機器人總長度與尺寸是否有限制?連桿動作時動力的來源是什麼?考慮這些問題之後,選定一個最終機器人防守機構的設計概念,以文字與圖片詳細描述你的想法。

(3)   試著將你所設計的足球機器人防守機構以機構分析軟體(如Working Model)建構,測試是否符合你們預期的功能與動作方式?敘述你們建構機構模型的過程中遇到哪些問題,你們是如何利用機構分析軟體作為輔助修正你們足球機器人防守機構設計的工具?

(4)   將你的機器人防守機構實際製作出來,並與你的機器人加以整合,觀察機構實體與機構分析軟體模的結果是否相同?實際測試時是否遇到沒有察覺的問題或著讓你們產生了新的設計概念與想法?試著以照片與文字的方式說明你們所設計的機構原理,並以文字與照片記錄你們製作與測試的過程與感想。

4為汽車雨刷機構製作實例,我們以壓克力作為連桿,以螺絲作為旋轉接點,並以馬達帶動。汽車雨刷機構為一四連桿機構,將馬達的圓周運動轉換為左右的往復運動,如此的機構便可以運用於機器人檔球機構上,使機器人的手部進行左右往復的防守動作。

4. 汽車雨刷機構

第五章實作計畫:足球機器人電路設計與製作

(1)   觀察你身邊常用的設備或物件,有哪些設備或物件使用了感測器?其使用了哪種類型的感測器?經由這些感測器的訊號輸入,有哪些機構或事件作動或發生?

(2)   試著以“說故事”的方式敘述你們所設計的足球機器人動作過程,以文字與圖片說明足球機器人需要接受哪些感測器或人為的導引訊號?這些訊號如何引發運動機構與傳動系統的動作?

(3)   你所設計的足球機器人控制電路運用了哪些課程中所學習的電路?你是如何改良得到所需要的功能?繪製一個電路圖說明你們的電路。

(4)   你所設計的電路中,使用了哪些電子元件?這些電子元件的規格為何?你是怎麼決定這些電子元件的規格?

(5)   實際至電子材料行採買所需要規格的各式電子與感測元件,完成所設計的電路。在電路的製作過程中,是否有不預期的狀況發生使電路無法正常作動?你如何克服這些問題?分享一下你解決的技巧。

(6)   你可能使用光源感測、磁力感測、極限開關感測,甚至是以遙控方式,讓機器人感受外界訊號,除了你決定採取的方案之外,你是否試著採取其他的構想,讓機器人可以感測外界訊號?將你的想法以電路圖方式表達出來。

(7)   試著記錄下整個過程中你們所獲得的經驗與遭遇到的挫折與大家分享。

第六章實作計畫:足球機器人系統整合

(1)   依據你們所敘述的機器人故事,試著再次建立你們所設計的機器人的產品概要圖(schematic),概要圖中必須標明各實體元件,例如轉向馬達、電源、感測器等,以及各實體元件之間的交互作用,包含有接觸力、實體材料、能量、資料、和訊號。

(2)   將你們的產品概要圖分成群組,詳細說明基於何種考量使產品概要圖分成這些群組,以及各群組之間的界面及交互作用。

(3)   建立機器人的幾何配置,並將其繪成設計佈置圖。設計佈置圖的繪製,建議用可以建立三維實體模型的CAD軟體繪製,如此將有助於你們了解各元件之間的空間關係。在這樣的空間配置下,有沒有任何不預期的交互作用(incidental interaction)?如果有,你們需要做什麼設計改變?

(4)   依據你們所完成的產品概要圖與設計佈置圖,實際改裝你們的機器人,傳動機構、擋球機構與控制電路等功能被妥善的整合於一機器人上,並可以達到預定的功能。

(5)   從學期初的概念設計到本次的系統整合設計,隨著知識的累積與不斷的測試,當初所規劃的概念是否遇到了許多不預期的困難,甚至有了一百八十度的轉彎,試著整理你們先前所繳交實作計畫報告的內容,完成一份完整的“足球機器人PK大賽”設計報告書,介紹你們最終定案的足球機器人。

(6)   每組同學帶著設計完成之足球機器人,實際在課堂上參與比賽。