中国研究生机器人创新设计大赛是“中国研究生创新实践系列大赛”主题赛事之一，于2020年9月举行的第二届中国研究生机器人创新设计大赛中，来自156所高校和科研院所共771支队伍报名参赛，其中154支队伍闯入总决赛。矿山流体控制国家地方联合工程实验室的研究生组建的“铁甲变形车”团队凭借参赛作品“履足变形水泵房巡检机器人”在决赛中经过两轮激烈角逐，最终获得全国二等奖，为校赢得荣誉。

接下来，带大家走近“铁甲变形车”团队，听他们讲述“研创故事”。在队员们细致入微的讲述中，全方位了解研究生机器人创新设计大赛，感受工科研究生缜密的逻辑思维能力、精益求精的工匠精神和追求卓越的创新精神。

“铁甲变形车”团队

设计方案：“纸上谈兵”亦认真

2020年05月11日，我实验室接到研究生院官网发布的“关于举办第二届中国研究生机器人创新设计大赛”通知后，我们矿山流体控制国家地方联合工程实验室的五位研究生：金书奎、张立冬、梁富伟、邱建都和张利男组建了“铁甲变形车”团队，代表实验室参加此次大赛。

我们从大赛官网了解到，此次比赛是围绕智能家居机器人、医疗机器人、助老助残服务机器人、教育机器人和安防机器人等主题，将作品按照其成熟度和技术特点分成仿真组、部件组和集成组三大板块。我实验室之前有煤矿井下巡检机器人的研究基础，因此我们毫不犹豫地选择了安防机器人主题中的集成组板块。

比赛分初赛和决赛两个阶段。初赛阶段每个团队需要进行机器人创新概念设计，并提交项目技术方案和项目申报书。在此之前，团队五个成员认真阅读了关于煤矿井下的地形地貌、厂房布置、网络通信、防爆、电磁干扰和设备充电等方面的资料，集体确定了“实现煤矿下设备巡检”的相关技术方案：

在运动控制方面，机器人首先在无任何外部通讯信号辅助情况下实现自主定位，然后根据每台设备坐标位置自主移动到设备附近进行信号采集，在移动过程中还需考虑避障和越障的难点。通过查阅相关资料，最终采用SLAM技术实现机器人运动控制。

在路面通过性方面，机器人采用履带轮，可越过地面上一些小碎石和凹坑。当遇到较大障碍物如台阶、门槛时，首先要考虑避障，若无法避开，则进行越障。我们采用足式和履带式运动的结合方式，这可以让机器人在履带式和足式间切换，解决了避障、越障的问题。

在数据采集方面，机器人要先去采集环境中甲烷浓度，来判断是否处于危险状态；然后对设备附近的温度和噪声进行采集，来判断设备是否存在故障；最后将采集的数据显示到上位机界面。

在防爆方面，机器人的每个接线端用防爆接地盒进行隔离，机器人的底层控制板和工控机采用防爆箱隔离。

综合上述的各个方面，我们最终将机器人命名为“履足变形式自主移动巡检机器人”。作品涉及到的主要研究内容有：机器人运动控制算法、履足变形机构、传感器数据采集模块、数据显示上位机软件。

我们确定好技术方案之后，接下来就进行机器人本体3D建模和项目申报书的撰写。张立冬主要负责巡检机器人本体3D模型的建立，建模过程中面临两个难点：一是每个零件模型尺寸要和市场中的零件尺寸相对应；二是机器人履足变换机构的设计。大家为解决第二个难点绞尽脑汁，最后在机械臂上获得了灵感，把三自由度机械臂的末端连杆变为履带轮，从而设计出了履足变换机构。项目申报书主要由梁富伟负责撰写，他把讨论的方案梳理过后，整理成文档。我们总共经过5次修改和论证，确定好项目申报书的最终版。

2020年7月15日，我们将参赛报名表、作品设计方案和项目申报书提交至官网，接下来就是等待“决赛门票”的到来。至此，筹备比赛忙碌的阶段已告一段落。

机器人制作：“能工巧匠”显身手

2020年8月28日，我实验室团队收到了参加全国总决赛的通知，此时大家心里十分激动，我们之前的努力得到了回报，同时心里开始紧张起来，因为在9月23日决赛就要开始了，而现在我们作品的实物模型还未成型。在不到一个月的时间内能够把实物模型做出来吗？在每个参赛者心中都有一个大大的问号。

参赛实物模型制作由五人协作完成。张立冬和张利男负责3D模型的打印、机器人本体的组装；梁富伟负责机器人的履带、摄像头、电机、舵机、传感器和工控机等部件的选购和测试；金书奎和邱建都负责机器人底层控制电路板的设计，包括：PCB电路图的设计、电子元件的选购、电路板的切割、转印、腐蚀、焊接、渡油、测试等。决赛前的一个月里，团队里的每一个成员都不曾松懈，每天在完成自己本职工作的基础之上，都至少花费5个小时去制作巡检机器人实物模型，很多时候我们一直工作到晚上11点钟才离开逸夫楼。这样的紧张的状态持续了3周，巡检机器人实物模型基本成型。接下来就是进行功能测试。

机器人履带足组装

底层控制板的焊接

距离决赛3天之时，我们团队在测试机器人建图功能时，发现工控机始终在重启，大家看到这种情况后开始慌张，难道工控机出问题了？我们立即开展排查工作。梁富伟说：“工控机买来就测试过了，没问题”。我们把工控机拆下来用电源适配器供电发现工控机确实可正常工作；经过排查，发现是底层电源转接板上的稳压芯片的输出功率不够，导致无法支持工控机正常工作。最后我们采用独立电源给工控机独立供电解决了这一问题。

决赛：“唇枪舌剑”展功底

9月23日，比赛于西安交通大学举行。决赛分两个阶段，现场展示参赛作品和PPT答辩。我们团队到达比赛地点后，立刻前往比赛场地进行布置，包括：展板粘贴、上位机和机器人的安装调试以及准备VR眼镜和控制手柄。在决赛的前一晚，我们对作品的功能、创新点进行了完整的梳理，并对第二天评委老师可能提到的问题进行预答辩。

9月24日上午，大赛的开幕式结束后，我们迅速回到了布展场地，在脑海中反复地对作品演示流程进行梳理，生怕漏掉一点细节。金书奎在专家和评委“犀利”的目光下进行了作品演示。他没有丝毫慌张，一边用手柄控制机器人，一边将作品的原理、创新点展示给专家。机器人的运行、上位机的显示以及对周围环境地图的建立都较为顺利。三分钟的现场演示结束后，专家提出了疑问：为什么要用履足变换来适应水泵房的复杂环境？金书奎回答道，在水泵房环境中，不可避免地会存在一些凹坑，凸起，管道，门槛和楼梯等，履带在通过凹坑和凸起时较为平稳，而在通过门槛这样较高的障碍物时，进行履足变换，能很好地增强机器人的路面通过性。专家接着问，轨道机器人不是更加方便吗？经过短暂的思考后，金书奎回答道，管道机器人的巡检方式只能沿着既定轨道进行巡检，不排除会出现一些视线死角，而且在增加一些设备后，原来铺设的轨道已经不能满足现有的要求，而我们设计的巡检机器人可以不受这样的限制，可以自由移动。

现场展示模型

在9月24日下午的PPT答辩环节中，金书奎负责PPT的讲解，张立冬负责PPT的播放，邱建都负责巡检机器人模型的展示。三人的密切配合为5位专家评委清楚细致的讲解了“履足变形水泵房巡检机器人”的研究背景、履足变形结构设计、雷达扫描路径规划、实时数据采集及处理等内容，我们团队得到了评委的高度赞扬，评委们肯定了该机器人的研究价值及创新性。随后，专家评委对履足变形的设计目的及应用前景进行了提问，队员们冷静思考后做出回答，履足变换设计的目的是增大机器人对煤矿井下路面的适应能力，让机器人的运行更平稳；同时，该机器人不仅可以用在煤矿井下水泵房内，还可用于煤矿井下其他设备的巡检，能最大限度地发挥该机器人的价值。整个答辩过程清楚流畅，展现了我团队研究生实力与自信。

赛后感悟：心怀感恩 求实创新

2020年9月25日，比赛结果公布。一分耕耘一分收获，团队荣获全国二等奖，我们心里还是比较欣慰的，4个多月的辛苦付出最终得到了回报。在这段时间内作品由最初的设计构想变为可以运行的实物，这样的经历让团队里的每一个成员切实体会到了项目分工、团队协作、各展所长的重要性，这也将成为我们今后学习生活的宝贵财富。团队里的每位成员表示：最要感谢的人是我们的导师，在最初方案设计阶段，导师充分肯定了将SLAM技术运用到煤矿井下机器人巡检中方案的可行性，并给我们分析了机器人在井下巡检过程中定位误差的修正和机器人远距离作业续航等问题。在备赛过程中，导师始终鼓励我们：不要怕失败，要努力去尝试，而准备比赛、参加比赛才是最宝贵的成长经历。

在比赛间空闲之时，我们团队一起观看了其他学校的作品展示，让人眼前一亮的是仿生机器人，有团队模仿鱼类胸鳍波动实现水下机器人推进，也有团队通过不同的电极信号刺激蟑螂的两个触角实现蟑螂运动的控制。这些作品令人大开眼界，同时也让我们体会到机器人领域有广阔的研究空间。

总决赛共有69所高校和科研院所的154支队伍参加，经过现场评审和答辩评审，最终总决赛评出特等奖3项、一等奖15项、二等奖30项、三等奖102项、优秀组织奖23项。尽管我们团队获得了二等奖的优秀成绩，但我们更感受到了与西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等一流高校优秀作品间的差距。这种差距体现在作品的方方面面，比如创意、硬件投入成本、软件集成度等等，这些不足必将激励我们以更大热情投身科技创新实践。

最后，期待我们实验室的师弟师妹们在未来能设计出更好的机器人作品！

期待他们在大赛上摘金夺银！期待他们为科技发展注入新活力！