手工制作足球

⾜球机器⼈设计思路与制作

⼀、机器⼈⾜球使⽤器材

⾜球运动作为⼀项体育竞技项⽬,完美地体现着⼈类追求配合、协作、体能、竞争……揭⽰着⼈类对于美的追求。正是

因为它独特的魅⼒，才能如此长久地⿎舞⼈们的热情，让你哭、让你笑，让你激动，让你为之疯狂，让你欲罢不

能……机器⼈⾜球是以⾜球为载体的前沿⾼科技研究和⾼技术对抗，它⼴泛涉及⼈⼯智能、计算机视觉、⾃动控制、

精密仪器、传感和信息等⼀系列学科的创新研究，其研究成果可⼴泛应⽤于⼯业、农业、军事、信息技术等实际领

域，集中反映出⼀个国家的⾼科技⽔平和综合国⼒。

⽬前教育部,中国科协,关⼼下⼀代委员会等多个政府部门开展的机器⼈活动都包括机器⼈⾜球项⽬。但是，⽐赛机会

少。为了能让更多的学⽣参与这项有意义的活动。西觅亚公司作为世界青少年机器⼈⾜球杯(ROBOCUPJUNIOR)的中

国代表,希望提供给⼤家⼀个交流的机会，让机器⼈⾜球可以普及，从2004年3⽉开始进⾏机器⼈⾜球邀请赛，并且全

国⽐赛选出的优胜队将会代表中国参加2004年在葡萄⽛举办的ROBOCUPJUNIOR总决赛。

1、机器⼈控制核⼼——RCX

我们如何控制机器⼈的运⾏？乐⾼课堂⾥的机器⼈主要由微电脑——RCX来控制。RCX有3路输⼊、3路输出可以连接

各种传感器和马达等输⼊、输出设备。RCX可以保存5个独⽴的应⽤程序，通常，其中3个是供⽤户使⽤的。需要时，

可以将5个独⽴程序都给⽤户使⽤，这需要在“Administrator”中通过点击“RCXSettings”，将RCX的1、2程序解

锁。RCX的操作系统是⾯向事件（event-oriented）的，可以并⾏处理10个任务。

事实上，我们不仅可以⽤RoboLab软件来为RCX编写程序，还可以做其他选择，例如NQC(NotQuietC)。利

⽤ActiveX控件，你可以使⽤VisualBasic，VisualC++，Delphi等多达30多种正式、⾮正式语⾔为RCX编写程序。更

不可思议的是，你甚⾄可以不⽤Lego提供的固件，⽽改⽤其他的固件，如LegOS。

2、机器⼈感觉器官——传感器

乐⾼提供了4种基本的传感器：

光电传感器 触动传感器 ⾓度传感器 温度传感器

其他⾜球专⽤传感器：

⾼级光电传感器（具体使⽤参看附件1）

指南针传感器（具体使⽤参看附件2）

3、机器⼈驱动——马达

空载电流：10mA

满负荷电流：100mA

⽆负载速度(withinafew%)：375RPM39rad/s

最⼤扭矩(within10%?)：8.9N-cm0.89N-m12.3oz-in0.06ft-lb

功率(1/2no-loadspeed*1/2stalltorque)3.5N-m/s(Watts)

4、机器⼈⾝体结构——积⽊

乐⾼提供了丰富多彩的积⽊，乐⾼提供了丰富多彩的积⽊，包括各种包括各种积⽊及机械部件，例如齿轮、轮⼦等组成了机器⼈的⾝体。积⽊及机械部件，例如齿轮、轮⼦等组成了机器⼈的⾝体。

5、机器⼈思维——ROBOLAB软件

乐⾼课堂⾥的机器⼈使⽤ROBOLAB软件为机器⼈编写程序，软件为机器⼈编写程序，是⼀种图形化编程开发环境，提供了⼀种更快捷的程序是⼀种图形化编程开发环境，提供了⼀种更快捷的程序

编写⽅法，编程环境直观明了，它有⼏百个模块组成，⽤⼀个个图形模块代替传统的编程语句，例如循环、条件等都

有相应的图标，可以完成所有C语⾔和VB等语⾔的功能，设计者只需要把所需的图标从功能模块中等语⾔的功能，设计者只需要把所需的图标从功能模块中抓取下来进⾏连线抓取下来进⾏连线

即可实现程序编写，⽆需编写任何代码，与传统编程的表现形式有根本区别，但即可实现程序编写，⽆需编写任何代码，与传统编程的表现形式有根本区别，但其编程的逻辑思维与传统编程⼀样，其编程的逻辑思维与传统编程⼀样，

和C、VB等⼀样都是计算机的编程语⾔。所有这些特性使G语⾔更易于学习，从⽽减少程序开发时间，提⾼编程质量。

6、其他

⾜球专⽤传感器 ⾜球

⼆、⾜球机器⼈的任务：

在⿊⽩渐变的场地中寻找物⾜球，并将⾜球踢⼊对⽅球门。每个队有两个机器⼈上场⽐赛，在规定的时间内看那⽅机器⼈进

对⽅球门球最多者获胜。（详细内容见机器⼈⾜球⽐赛规则）

三、编程思路：编程思路：

每队有两个机器⼈在场地中⽐赛，所以我们在设计机器⼈时给两个机器⼈进⾏分⼯，⼀个是进攻机器⼈，另外⼀个是防守机器

⼈,当然你也可以设计成两个都是进攻机器⼈。

进攻机器⼈主要任务是⽤前⽅两个光电传感器检测寻找球，当机器⼈寻找到球后开始检测地⾯，如果进攻⽅向正确，机器⼈继

续踢球：如果机器⼈进攻⽅向不正确，机器⼈绕到球后⾯踢球。

防守机器⼈主要任务是在球门前⽅寻找⾜球，⼀旦有⾜球，机器⼈向有球的地⽅运⾏把球挡出去。

四、制作机器⼈

进攻⾜球机器⼈

1、外型搭建：

●使⽤器材：1个RCX、2个马达、3个光电传感器

●机器⼈外型搭建机器⼈外型搭建：

1)机器⼈运⾏

机器⼈在运⾏中的路线是不确定的，有时需要转弯，有时需要直⾏。为了⽅便控制机器⼈运⾏，我们⽤2个马达控制机器⼈运

⾏。这⾥我们⽤两个⼤轮⼦带动机器⼈⾏⾛是因为⼤轮⼦运⾏速度快，为了让机器⼈⾝体稳定，在机器⼈⾝体前后加⼊了滑

轮，为了⽀撑机器⼈⾝体并且运⾏灵活。

扩展：如果器材允许你可以使⽤4个马达控制机器⼈运⾏，增加机器⼈⼒量。

2)⽤2个光电传感器检测⾜球

⽐赛中机器⼈要找到球然后推球，⽐赛中⾜球发射红外光，所以我们使⽤光电传感器检测⾜球。为了检测⾜球⽐较准确，这⾥

我们⽤2个乐⾼光电传感器检测。

注意：乐⾼光电传感器有⼀个发射管，⼀个接收管。⽐赛时要⽤⿊⾊胶布把发射管封住，防⽌⼲扰其他机器⼈的运⾏。

3)⽤1个光电传感器检测场地

⽐赛中机器⼈找到球后要把球向对⽅球门⽅向推，那机器⼈怎么能辨别⽅向？我们⽤乐⾼光电传感器检测场地的灰度变化（场

地是由⽩到⿊渐变的）。把乐⾼光电传感器发射和接收端向地⾯，尽量避免外界光线对它的影响。

扩展：可以使⽤指南针传感器来辨别机器⼈的进攻⽅向。

4)加固机器⼈

⽐赛时，机器⼈会出现碰撞等情况。为了使机器⼈⾝体结实、稳固，我们给机器⼈⾝体两侧⽤梁进⾏加固。

机器⼈在运⾏中很有可能碰到墙壁等，为了防⽌轮⼦与墙壁摩擦，我们给机器⼈加⼊导向轮。

提⽰：可以使⽤其它有效⽅法加固机器⼈结构。

2、程序设计：

l开球：

概述：

开球时，所有的机器⼈都必须位于⾃⼰的半场，且必须处于静⽌状态。由裁判将球放置在开球点，所有不开球的机器⼈必须离

球⼤于25cm。开球⽅将开球机器⼈放置在距⾜球2cm⾄5cm位置。裁判可以调整机器⼈的位置，并宣布完成调整。裁判吹哨

后，⽐赛开始。开球机器⼈触球后，其他机器⼈⽅可触球。

解决⽅案：

机器⼈向前运动把球踢出去。

程序：

说明：

A、C两个马达控制机器⼈的运⾏，机器⼈向前运⾏0.5秒把球开出去，然后停⽌0.2秒。

l寻找⾜球：

概述：

⽐赛中机器⼈主要任务之⼀就是如何准确找到球。如何解决这个问题呢？

解决⽅案：

我们⽤两个光电传感器检测⾜球，哪个传感器检测到⾜球机器⼈向哪个⽅向运⾏，当两个光电传感器都检测到球并且光值到达

⼀定数值，机器⼈直接推球。

程序：

说明：

1、1端⼝和3端⼝光电传感器进⾏⽐较，当1端⼝光值⼩于3端⼝，C马达停A马达转。当1端⼝光值⼩于3端⼝，再判断3端⼝

数值。

2、3端⼝数值⼩于40，A马达停C马达转；3端⼝数值⼤于40，A、C马达同时直⾏。也就是两个光电传感器都检测到球。

3、程序⼀直循环进⾏。

l检测场地检测场地：

概述：

机器⼈找到球后要推球向对⽅⽅向，机器⼈如何识别⽅向，这⾥我们⽤光电传感器检测场地的灰度来判断机器⼈运⾏⽅向。

解决⽅案：

⽤⼀个光电传感器检测，当机器⼈检测到球在⾃⼰⽅向机器⼈放弃球。（例如，机器⼈的进攻⽅向由⽩到⿊）

程序：

说明：

1、利⽤事件对2端⼝的光电传感器检测到数值进⾏监控。

2、当光电传感器检测到光值⼤于45，A、C马达转弯，2端⼝光电传感器清零，继续检测。

综合：

概述：

以上⼏个问题我们已经解决，下⾯把这些解决⽅案综合到⼀起就是⾜球进攻队员的程序。（下⾯的参考程序机器⼈由⽩到⿊进

攻）

程序：

说明：：

1.3个光电传感器进⾏清零，为了让传感器读数准确。

2.先⽤2端⼝判断机器⼈是在⾃⼰半场还是对⽅半场，当数值⼤于40，机器⼈位于⾃⼰半场但是没有在球门前，当数值⼩

于45，机器⼈不在⾃⼰半场，⽤1和3端⼝光电传感器开始寻找⾜球，踢球。（光值要根据现场进⾏调试）

3.当光值⼤于45，机器⼈位于⾃⼰球门前，机器⼈后退转弯。

l注意：

1)⽐赛分成上下两个半场，如果上半场是由⽩到⿊进攻那下半场就是由⿊到⽩，中间只有5分钟的休息时间，所以在编写程

序时最好编写2套，分别存储在RCX⾥。

2)加固电池，⽐赛时机器⼈有可能会撞到⼀起，如果电池掉电程序丢失会耽误许多⽐赛时间。

扩展：

l⾼级光电传感器代替光电传感器寻找⾜球

⾼级光电传感器和乐⾼光电传感器⽤法⼀样，在程序中还是利⽤光电传感器图标。⾼级光电传感器⽐乐⾼光电传感器检测距离

要远⼀些。

l指南针传感器代替光电传感器检测⽅位

这⾥我们可以⽤指南针传感器代替光电传感器来辨别机器⼈运⾏⽅向。指南针传感器在不同⽅向数值不同，和光电传感器⼀样

都是数值变化，所以程序中我们利⽤光电传感器图标。

程序：

1、对传感器

说明：对1和3端⼝光电传感器清零，分别检测⼀个数值放到容器中。

2、检测球

说明：

1)这⾥分为⽆球和有球状态。

2)有球时，机器⼈踢球

3)⽆球时，机器⼈在当地中找4次球。

3、检测场地

说明：机器⼈检测到数值⼤于65，也就是机器⼈离球⾮常进，机器⼈进⾏检测场地（利⽤2端⼝指南针传感器进⾏判断）。如

果是向⾃⼰⽅向机器⼈放弃找球，如果是向对⽅⽅向机器⼈踢球。

注意：

指南针传感器容易受到磁场⼲扰，所以传感器要远离RCX、马达等带电设备。

防守⾜球机器⼈

1、外型搭建：

a)使⽤器材使⽤器材：1个RCX、2个马达、2个光电传感器

b)机器⼈外型搭建：

1)机器⼈驱动

守门机器⼈任务主要是在门前防守，防⽌球进⼊球门。所以机器⼈在门前左右运动，这⾥我们⽤2个马达带动机器⼈左右运

⾏。机器⼈⾝体两侧各有⼀个马达分别控制机器⼈向左还是向右。

扩展：使⽤四个马达控制机器⼈运⾏。

2)2个光电传感器检测⾜球

⽤两个光电传感器分别固定在机器⼈⾝体两侧进⾏检测⾜球，左边光电检测到⾜球，机器⼈向左运⾏；右边光电检测到⾜球机

器⼈向右运⾏。

注意：乐⾼光电传感器有⼀个发射管，⼀个接收管。⽐赛时要⽤⿊⾊胶布把发射管封住，防⽌⼲扰其他机器⼈的运⾏。

3)1个光电定位

⽐赛时机器⼈在球门外⾯进⾏防守，为了防⽌机器⼈让开球门，我们在机器⼈⾝后加⼀个光电传感器确定机器⼈位置。

4)机器⼈结构

为了使机器⼈运⾏稳定，机器⼈使⽤了沙地轮⼦，并且⽤梁加固机器⼈⾝体。

2、程序设计：

c)寻找⾜球：

概述：

机器⼈在球门前不能检测⾜球，当有球时机器⼈把球当出去。

解决⽅案：

这⾥我们⽤2个光电传感器进⾏检测，哪边有球机器⼈向哪边运⾏。

程序：

说明：

4)当3端⼝检测到的数值⼤于40，机器⼈向3端⼝⽅向运⾏；当1端⼝检测到数值⼤于40，机器⼈向1端⼝⽅向运⾏。

5)程序⼀直循环执⾏。

d)检测场地：

概述：

机器⼈要在球门外⾯运⾏，为了不让机器⼈离开球门，机器⼈还要对球门进⾏检测。

解决⽅案：

利⽤1个光电传感器检测球门两边的墙壁，当机器⼈运⾏到球门边缘检测到墙壁，机器⼈停⽌运⾏。

程序：

说明：

1、利⽤2端⼝光电传感器检测，当机器⼈运⾏到球门边缘光值⼤于30，事件被触发。（具体光值根据现场进⾏测试）

3、光电传感器测到球门边缘，机器⼈停⽌运⾏，程序循环执⾏。

a)综合：

概述：

守门机器⼈找球和检测场地问题解决后，程序进⾏综合，我们看到下⾯的程序。

程序：

说明：

1、对3个传感器进⾏清零，保证读数准确。

2、1和3端⼝光电传感器进⾏检测，哪边检测到⾜球机器⼈向哪边运⾏。

3、2端⼝光电传感器进⾏检测当检测到球门边缘墙壁，机器⼈停⽌运⾏。

4、程序循环执⾏。

以上是我们制作的机器⼈，机器⼈基本能实现进攻和防守，如果你有什么问题欢迎与我们进⾏交流。

附件１：如何使⽤红外特殊传感器

a．调节红外传感器调节红外传感器：：

1．编程初始化RCX输⼊端⼝（1，2，3）

2．将传感器连接到RCX上并运⾏RCX

3．利⽤RCX上的VIEW按钮切换到红外传感器连接的端⼝，以便查看数据

4．将两个按钮顺时针旋转到头。

5．逆时针旋转灵敏度按钮，直到RCX上显⽰的值约为64

6．逆时针选择射程按钮，直到RCX上显⽰的值约为16

7．红外球放在距离传感器2m的位置。显⽰值约为24%。

8．再将红外球放在距离传感器1m的位置，显⽰值约为42%。

注意测量时，不能在外界⾃然光线和⽩炽灯下测量，以免产⽣错误测量，如

果以上测量的值有很⼤差距，请重新调节。

b．使⽤红外传感器

调节好后，将机器⼈装到机器⼈正前⽅，⾼度⼤致与球的半径接近，固定的

⽅法有很多，可以使⽤胶⽔、胶布、特殊的积⽊将此传感器固定到机器⼈⾝

上。该传感器接收光线的能⼒与图中所⽰的⼆极管的橡胶套有关，通过调整

该套的长短，可以改变⼆极管的接收光线的能⼒。

c．编程

特殊红外传感器的编程与乐⾼普通光感编程相同。看下图就是⼀个利⽤特殊

光感找球的程序。

附件２：如何使⽤指南针传感器

（详细性能参数请看说明书）

b．调节⽅位传感器

1．编程初始化RCX输⼊端⼝（1，2，3）

2．将传感器连接到RCX上并运⾏RCX

1．将⽅位传感器固定到⾜球机器⼈的正前⽅（⽩⾊的柱形元件对着进攻⽅向）。

2．按下传感器的复位键，此时RCX上的显⽰值约为70，表⽰是进攻⽅向。

具体各个⽅向的数值对应表如下所⽰：

C．使⽤⽅位传感器

可以使⽤胶⽔、胶布、积⽊等材料将⽅位传感器固定到机器⼈⾝上，注意：固定时，传感器安装的位置不能太低，与球的直径

相近。对它的编程与普通光感基本⼀样，只不过在设置值的时候有差别。具体事例如下：

程序中的光感判断分⽀就是代表⽅位传感器检测，根据上⾯的⽅位图和数值对应关系，可以知道⼤于50属于进攻⽅向，⼩于

50属于防守⽅向。