2024年5月25日发(作者：府丹亦)
第１２００９年１５誊第４翅 ２月 江苏技术师范学院学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＮＧＳＵ ＴＥＡＣＨＥＲＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉ０ｎ
Ｖｏ１．１５．Ｎｏ．４
Ｄｅｃ．．２０ｏ９
基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学
李尚荣，唐睿，杨龙兴
（江苏技术师范学院机械与汽车工程学院，江苏常州２１３００１）
摘要：以Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人为对象，设计若干个教学案例，补充机器人课程理论教学，同时将案例教学
和实验、毕业设计等教学环节相结合，共同提高机器人课程的教学效果。
关键词：Ｆ１８０足球机器人；案例教学；机器人课程
中图分类号：ＴＰ２４：Ｇ６４２．４１文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—２２２２（２００９）０４—００６６—０７
１ 机器人课程引入案例教学的必要性
机器人是典型机电一体化产品，涉及机械、电子和计算机等多学科理论和技术，机器人课程具有典型
的多学科知识交叉的特点，课程内容理论性强，涵盖多个专业学科知识；实用工业机器人因价格高难以配
备为实验设备，导致教学实验设备难以满足机器人课程的需要。另外，机器人课程的多学科性和目前学生
单学科性专业知识之间还存在一定的矛盾，导致学生对本专业外其它学科知识的理解和掌握存在一定的
困难。例如，机械专业的学生，往往对机械本专业的知识比较了解，而对电子和计算机等专业的知识掌握
就比较欠缺。这些都给机器人课程教学与实践带来一定的困难，导致学生普遍感觉机器人课程理论性太
强，难以深入理解和掌握。
案例教学法（ｃａｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｔｅａｃｈｉｎｇ）是将案例以讨论的方式运用到课堂教学活动中，通过剖析典型
事件，增强学生感性认识，提高教学质量和效果，培养学生认识问题、分析问题和解决问题能力的一种教
学方法【ｌ】。针对机器人课程特点，选择一种与课程知识点较为吻合的机器人进行案例教学不失为一种有益
的教学尝试。目前正在广泛开展的机器人足球，特别是Ｒｏｂｏｃｕｐ系列的小型组（Ｆ１８０）、中型组、标准平台
组和人形组足球机器人均为真实机器人的足球比赛，所涉及的内容和技术与机器人课程内容较为吻合，
选择本人曾参与研究的小型足球机器人作为分析对象，有助于深入实施机器人课程的案例设计与教学。
２机器人课程教学案例选择
机器人课程内容一般包含机器人机械结构及设计、机器人运动学和动力学、机器人驱动和控制技术、
机器人传感器技术、机器人智能、机器人语言等相关内容。小型足球机器人竞赛系统如图１所示，该系统
主要由两支竞赛队伍组成，每支队伍由５个在场地运动的机器人、一个场地边上的集中决策控制的计算
机与无线发射装置和一个悬挂于场地上方的视觉摄像头组成。该系统涉及机器人机械结构、控制电路、无
线通信、视觉与传感器、运动控制、人工智能决策和计算机编程等相关理论与技术。因此选择小型足球机
器人作为机器人课程案例教学的素材是较为合适的。
收稿日期：２００９—１１－２６；修回日期：２００９—１２—０７
基金项目：江苏技术师范学院教改项目（ＪＧ０７０３８）
作者简介：李尚荣（１９７２一），男，安徽肥东人，讲师，研究方向为机器人控制与仿生材料应用。
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴：基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ６７
（ａ）比赛场景
图１ Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人系统
（ｂ）系统组成结构图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓ￣ｔｅｍ ｏｆ ｒｏｂｏｃｕｐ ｓｍａｌｌ－ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
以小型足球机器人为案例素材，根据机器人课程的教学内容知识点，设计若干个案例，如表１所示。
下面对相关案例设计作简要概述。
表１机器人课程教学案例构成
Ｔａｂ．１ Ｃａｓｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ
３相关案例设计概要
３．１ 机器人机械结构及设计案例
小型足球机器人机械结构及设计案例内容主要包括：（１）设计过程分析。本案例需要分析如何从小型
足球机器人比赛规则，拟定机器人应具有的一些功能，如机器人总体外形应在直径为１８０ｍｍ的圆内，能
够灵活移动，能够射门等等。然后制定机器人具有的定性指标和定量指标，接着进行系统整体方案设计，
相关子系统方案及相互接Ｉ＝１等。如机器人结构应该是轮式结构、腿式结构、履带式结构？轮式结构应采用
两轮、三轮、四轮或更多轮结构？并对方案进一步细化，如轮子全向轮结构还是其它结构。在经过方案评价
和审查后，得出具有最佳的结构方案。然后进行原理设计、局部实验和分析，完成详细设计，非标准件进行
加工或定做，样机装配和调试，最后是样机优化和生产。（２）分析具有创新性的结构设计。四轮小型足球机
器人组成及功能，如图２（ｂ）所示，其中行走机构的轮子采用全向轮设计，该结构可使机器人沿任何方向
直线移动，能显著提高机器人的机动性。（３）多种设计方法综合运用。①三维设计软件，如Ｐｒｏ—Ｅ，有助于
及时发现结构设计的缺陷和机构间的空间干涉，实时显示设计效果；②动力学仿真软件，如ＡＤＡＭＳ或
６８ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第１５卷
ＭＡＴＬＡＢ，可分析机器人运动学和动力学特性；③注重实验分析，对工程问题应尽可能由实验进行验证，
特别是那些建模困难的机构，可通过试验来弥补理论分析的不足。如带球机构，通过理论分析难以获得最
佳的参数，如带球接触点、滚轮的材料、转速、直径、长度、结构等，通过设计简易的实验装置进行相关实验
获得最佳参数，不失为一种有效设计手段。
支撑 ☆：柱
球电磁铁
轮
悬挂
（ａ）Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人照片 （ｂ）Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人底部机械结构
图２全向四轮小型足球机器人机械结构
Ｆｉｇ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｏｍｎｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｏｕｒ ｗｈｅｅｌｓ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
３．２机器人运动学与动力学案例
机器人运动学与动力学主要分析机器人各个关节的关节变量、几何尺寸与末端执行器、驱动源之间
的运动学和动力学关系。该案例运动学设计需要分析：（１）场地固定的坐标系与机器人坐标系之间的关
系。（２）机器人运动路径规划，即分析机器人在当前采样周期内，避开障碍，在机器人具有的最大速度和最
大加速度条件下，计算从一点移动到另外一点所要经过各点的位置和速度，并实时更新。（３）机器人运动
速度控制。决策程序根据路径规划得到每个机器人下一个采样周期的速度，然后分解得出四个轮子的转
速参数，并通过无线通信发给每个机器人，每个机器人则完成四个轮子的电机速度控制，以及带球和击球
机构驱动控制。如图３所示［２】。
图３ Ｆ１ ８Ｏ足球机器人运动控制原理
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｆ１ ８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴ｉ基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ６９
该案例动力学设计需要分析：（１）直流电机的选择。为实现电机速度闭环控制，一般选择带高分辨率
的编码器和减速器的直流电机，同时选择输出扭矩大的电机来获得较大的加速度，在机器人质量一定的
条件下。除了电机输出扭矩高，还需要考虑轮子与地面的摩擦系数，该系数与轮子材料和结构有关，实验
表明，单排全向轮要比双排全向轮产生的摩擦力大［３】。（２）加速度分析。每个电机输出不同的扭矩，在给定
轮子布局条件下，利用牛顿力学定律和Ｍａｔｌａｂ分析不同方向的最大加速度，在所有方向上所能达到的最
大加速度最小值即为机器人的最大加速度，该加速度是运动控制的基础。（３）击球动作分析。一般容易认
为击球动作分析应使用碰撞理论，但实验表明做功理论更合适。这两个理论对击杆的设计要求截然不同，
碰撞理论要求击杆质量越大越好，而做功理论则要求击杆质量越小越好，通过实验发现：相同条件下，瞬
间碰撞球获得的动能比击杆推球移动所做的功妻小得多。这对击杆设计具有指导意义：①只要保持足够
的刚性，击杆质量应越轻越好；②击杆和球接触的距离越长越好，因此，应将击杆布置在尽可能靠近球的
位置处，以增大做功距离。
３．３控制系统电路设计案例
该案例设计主要包括：（１）微控制器选择。依据系统需要处理信息的多少和实时陛要求。（２）四轮机器
人每个轮子的电机调速驱动信号、编码器脉冲信号捕获、带球机构电机的调速驱动。（３）电磁铁升压与驱
动、基于红外线的球位置检测信号。（４）无线通信接口、外扩解码器和仿真调试接口等。控制系统电路总体
框图如图４所示【３】，该案例重点分析每个模块电路的原理、实现和方法。
图４基于ＤＳＰ控制器的Ｆ１８０足球机器人主控电路结构图
Ｆｉｇ．４ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ Ｆ１８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ
３。４ 机器人控制技术案例
该案例设计内容包括：（１）直流电机ＰＷＭ调速与Ｈ桥驱动。分析基于ＰＷＭ的直流电机调速原理、
调速方法与电机编码器反馈信号读取。正交码盘所产生的两个脉冲序列输入到ＤＳＰ内部的事件捕捉单
元ＱＥＰ。或经外扩的正交解码器再输入到ＤＳＰ。通过固定周期采集码盘计数，将当前码盘计数减去上一周
期码盘计数可得到当前周期的计数，再用这个计数除以周期时间，单位换算后可到电机当前转速。将实测
转速和目标转速比较，通过ＤＳＰ内部事件管理模块ＥＶＭ的比较单元产生ＰＷＭ波，然后再控制电机的转
向和转速。（２）直流电机速度的ＰＩＤ控制方法。机器人移动控制主要表现为对四个电机的速度控制，如图
３所示，分析数字增量式ＰＩＤ速度闭环控制方法、参数整定以及程序实现。（３）电磁铁驱动控制。分析球位
置检测和小型直流电磁铁升压驱动控制原理与程序实现。
３．５ 机器人传感器技术案例
机器人传感器根据感知信息的来源可以分为内部传感器和外部传感器。小型足球机器人Ｉ的编码器、
红外传感器、陀螺仪、加速度传感器等均为内部传感器。悬挂于场地上方的多个机器人共用的ＣＣＤ摄像
７０ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第ｌ５卷
头为外部传感器。本案例重点分析：（１）红外线传感器的检测原理、电路和感知信息处理。红外线检测原理
如图５所示。（２）简要分析如何通过图像来识别场地上的机器人、球和球门等信息，并分析机器人暂时离
场或入场时机器人快速识别的方法等。Ｆ１８０足球机器人图像处理的流程如图６所示［３】。
敏管
Ｊ乙６
图５红外线检测原理图
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｍｉｃ ０ｆ ｉ ｌｒａｒｅｄ ｄｅｌｅｔｉｏｎ
图６ Ｆ１ ８０足球机器人视觉处理流程
Ｆｉｇ．６ Ｖｉｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｆ１ ８０ ｓ￣ｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
３。６ 机器人智能决策案例
在智能机器人体系结构中，一般分为上层决策和底层控制两个层次，目前小型足球机器人采用集中
式控制模式，在每个周期中，一台运算能力较强的上位计算机运行系统决策程序，如图７所示，视觉客户
端完成图像信息处理、并将结果通过网络服务器送给决策系统处理。比赛中裁判命令由裁判机通过
ＲＳ２３２串口送给决策系统。决策系统通过相应接口接收上述信息，由决策核心程序完成多个机器人协调
控制，决策的结果是下一个采样周期，各个机器人的行走电机速度，带球电机速度和是否击球的动作命
令，并由无线通信发送给每个机器人。另外，决策结果还可通过网络服务器实现在线仿真。底层控制是在
每个机器人中，由ＤＳＰ微控制器构成的底层控制系统，主要依次完成无线指令接收、运动速度目标值与
执行机构传感器检测值比较、控制信号送驱动模块、驱动执行机构等工作。
图７ Ｆ１ ８０足球机器人决策程序结构图
ｎ昏７ Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍ ｄｅｃｉｓｉｏｎｐｉｎ．ａｍｆｏｒＦ１８０ ｓｏｃｃｅｒｍｂｏｔ
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴：基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ７１
４ 案例教学
４．１ 案例教学前准备
在讲述完机器人常见的机械结构内容后，先让学生观看几个典型的国际国内小型足球机器人比赛录
像，使学生对小型足球机器人有一个直观感性认识。然后，对小型足球机器人竞赛活动做简要介绍。培养
学生学习兴趣。最后，给出部分小型足球机器人的文献资料源，如：（１）网站。（￣）Ｒｏｂｏｃｕｐ官方网站—ｗｗｗ．
ｒｏｂｏｃｕｐ．ｏｒｇ；②Ｃｏｍｅｌｌ大学Ｒｏｂｏｃｕｐ主页一ｈｔｔｐ：，／ｗｗｗ．ｃｉｓ．ｃｏｍｅｌ１．ｅｄｕ／ｂｏｏｍ／２ＯＯ５／ＰｒｏｊｅｃｔＡｒｃｈｉｖｅ／ｒｏｂｏｃｕｐ／。
③美国卡内基一梅隆大学小型组主页一ｈｔｔｐ：， ．ａｓ．ｅｍｉｌ．ｅｄｕ／一ｒｏｂｏｓｏｃｃｅｒ／ｓｍａｌｌ／；④机器人天空＿ｈｔｔｐ：
／／ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｓｋｙ．ｃｏｍ／；￣机器人发烧友天地－－ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｄｉｙ．ｃｏｒｎ／；（２）国内学术期刊：中国数字期刊网或
维普数据库；（３）中国专利网一ｈｔｔｐ：， Ⅳ、＾ｒ．ｃｎｐａｔｅｎｔ．ｃｏｍ／ｚｌｊｓ．ａｓｐ；（４）硕博士学位论文数据库。特别是Ｃｏｍｅｌｌ
大学小型足球机器人相关设计文档【羽。课前布置与教学案例相关的问题，要求学生自行查找资料，予以解
答。
４．２ 案例教学实施
４．２．１ 按照设计过程组织案例教学
机电系统设计的一般步骤有：拟定机器人开发目标一拟定性能参数一总体方案设计与评价一理论分
析与初步试验 详细设计一试制样机－÷试验、测试与优化一技术评价与审定 批量生产。机器人机械结
构设计和控制系统电路设计等教学案例实施，多数可以按照上述过程，依次展开，在每个阶段，按照
５ｗ１Ｈ（ｗｈ０，ｗｈｅｎ，ｗｈｅｒｅ，ｗｈａｔ，ｗｈｙ ａｎｄ ｈｏｗ）的要求提出问题，并重点分析原因以及如何实现。
４．２．２ 展示多种设计方法的运用
在实施教学过程中，强调应用多种设计方法来证明设计结果的正确性。理论设计与分析贯穿整个设
计过程，除了参考权威性的机械设计手册，还需要借助一些应用软件辅助设计，如使用Ｍａｐｌｅ数学软件来
进行理论公式的推导和运算；利用Ｍａｔｌａｂ及其工具箱可进行运动控制分析；借助三维设计软件，如
Ｐｒｏ—Ｅ，ｉｄｅａ—Ｓ可快速显示设计结果，及时发现和方便修改存在的设计问题。对于工程问题，仅有理论分析
是不够的，何况有些问题难以找到合适的理论来分析，一般需要试验来验证，如机器人的带球机构分析，
实际带球效果就需要借助实验来检验不同材质的滚轮、不同直径的滚轮、不同放置高度的滚轮在机器人
静止或运动状态下带球效果的差异，从而获得最佳的设计参数。
４．２．３分组自由讨论与引导相结合
教学过程中，结合机器人足球的实际开发，将机器人课程的有关理论与方法用于机器人足球的设计
与开发，同时为了充分调动同学们的积极性，进行课堂案例讨论时，可以对同学们进行分组，３ ５人为一
个小组，在课堂讨论中，针对每个问题，让同学们自己想出问题解决方法和过程。给每组同学一定时间，并
根据每组同学的回答予以考评。对于那些大家都感觉困难的问题，教师应及时引导和提示，把握好教学进
度，引导学生讨论问题方向。作业布置和完成也以小组为单位，组内学生分工协作，教学后要求每个小组
写出一份分析报告，要求分析如何将该章节讲述的重要理论、方法用于机器人足球系统的开发，该报告作
为相关案例教学之后检验学习成果的依据。
４．３ 案例教学与其它教学手段相结合
４．３．１ 实验课与案例教学相互补充
目前机器人的实验课由于缺少合适的实验设备，所能采用的实验多为项目和内容相对比较单一，缺
乏整体系统性的实验，而这些实验往往又需要多个学科的知识，同时又需要较长的时间才能完成。因此。
实验课训练学生一些有关机器人课程的单个或几个知识点的问题，而通过案例教学，进一步丰富了学生
对机器人系统的认识，极大地丰富了机器人课程的教学内容。
７２ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第ｌ５卷
４．３．２ 将机器人课程与毕业设计相结合
将机器人案例教学与毕业设计相结合。可组织白控、机械、电子、计算机等专业的大学生从三年级就
开始就参加毕业设计，由以上专业的教师联合组成跨学科的指导教师小组，来制作多台不同结构和功能
的教学用智能机器人，按照低成本、模块化 系统集成的设计思想，研制了多种通用机器人设计和制作的
标准化模块及多种传感器模块。利用学生的课余时间延长毕业设计时间，提高了毕业设计课题的综合性，
培养了学生的设计能力、创新能力、动手能力和跨专业的综合应用能力，为机器人教育的发展和机器人应
用人才的培养提供了新的途径，为工程教育改革开辟新思路。
４．３．３ 将机器人课程与创新实践相结合
机器人实践活动对提高学生动手实践能力和创新思维的培养具有重要意义，许多院校都围绕机器人
主题开展不同层次的创新实践活动。将案例教学和小型足球机器人制作的创新实践活动相结合，无疑会
极大地促进机器人课程教学效果。
５ 结 语
根据机器人课程相关内容，设计若干个教学案例，并简述每个案例设计的要点。采用案例教学可以改
变传统的单纯理论教学模式，有助于学生理解和掌握理论知识，增加感性认识，同时，也有助于提高学生
分析问题和解决问题的能力，增强学习主动性和积极性。当然，案例教学只是理论教学的一种有益的补
充，它还需要和相关实验、毕业设计以及实践创新活动等教学环节相互结合，相互补充，才能取得更好的
教学效果。
参考文献：
【１】郑金洲．案例教学指南【Ｍ】．上海：华东师范大学出版社，２０００．
【２】陈万米，张冰，朱明．智能足球机器人系统［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００９．
【３】陈盛．足球机器人协调控制系统研究【Ｄ】．合肥：中国科学技术大学，２００５．
［４】Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｒｏｂｏｅｕｐ Ｔｅａｍ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｘ／ＯＬ］．Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ［２００９－１０－２８］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｓ．
ｃｏｒｎｅ１］．ｅｄｕ／ｂｏｏｍ／２００５／ＰｒｏｊｅｃｔＡｒｃｈｉｖｅ／ｍｂｏｃｕｐ／ｄｏｅｕｍｅｎｔａｆｉｏｎ．ｐｈｐ．
Ｂｒｉｅｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃａｓｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆ１ ８０ Ｓｏｃｃｅｒ Ｒｏｂｏｔ
ＬＩ Ｓｈａｎｇ－ｒｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｒｕｉ，ＹＡＮＧ Ｌｏｎｇ－ｘｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎａｇｓｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｂｏｃｕｐ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃａｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｔｏｇｅｔｈｅｒ．
ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆ１８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ；ｃａｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ
责任编辑张志钊
2024年5月25日发(作者：府丹亦)
第１２００９年１５誊第４翅 ２月 江苏技术师范学院学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＮＧＳＵ ＴＥＡＣＨＥＲＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉ０ｎ
Ｖｏ１．１５．Ｎｏ．４
Ｄｅｃ．．２０ｏ９
基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学
李尚荣，唐睿，杨龙兴
（江苏技术师范学院机械与汽车工程学院，江苏常州２１３００１）
摘要：以Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人为对象，设计若干个教学案例，补充机器人课程理论教学，同时将案例教学
和实验、毕业设计等教学环节相结合，共同提高机器人课程的教学效果。
关键词：Ｆ１８０足球机器人；案例教学；机器人课程
中图分类号：ＴＰ２４：Ｇ６４２．４１文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—２２２２（２００９）０４—００６６—０７
１ 机器人课程引入案例教学的必要性
机器人是典型机电一体化产品，涉及机械、电子和计算机等多学科理论和技术，机器人课程具有典型
的多学科知识交叉的特点，课程内容理论性强，涵盖多个专业学科知识；实用工业机器人因价格高难以配
备为实验设备，导致教学实验设备难以满足机器人课程的需要。另外，机器人课程的多学科性和目前学生
单学科性专业知识之间还存在一定的矛盾，导致学生对本专业外其它学科知识的理解和掌握存在一定的
困难。例如，机械专业的学生，往往对机械本专业的知识比较了解，而对电子和计算机等专业的知识掌握
就比较欠缺。这些都给机器人课程教学与实践带来一定的困难，导致学生普遍感觉机器人课程理论性太
强，难以深入理解和掌握。
案例教学法（ｃａｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｔｅａｃｈｉｎｇ）是将案例以讨论的方式运用到课堂教学活动中，通过剖析典型
事件，增强学生感性认识，提高教学质量和效果，培养学生认识问题、分析问题和解决问题能力的一种教
学方法【ｌ】。针对机器人课程特点，选择一种与课程知识点较为吻合的机器人进行案例教学不失为一种有益
的教学尝试。目前正在广泛开展的机器人足球，特别是Ｒｏｂｏｃｕｐ系列的小型组（Ｆ１８０）、中型组、标准平台
组和人形组足球机器人均为真实机器人的足球比赛，所涉及的内容和技术与机器人课程内容较为吻合，
选择本人曾参与研究的小型足球机器人作为分析对象，有助于深入实施机器人课程的案例设计与教学。
２机器人课程教学案例选择
机器人课程内容一般包含机器人机械结构及设计、机器人运动学和动力学、机器人驱动和控制技术、
机器人传感器技术、机器人智能、机器人语言等相关内容。小型足球机器人竞赛系统如图１所示，该系统
主要由两支竞赛队伍组成，每支队伍由５个在场地运动的机器人、一个场地边上的集中决策控制的计算
机与无线发射装置和一个悬挂于场地上方的视觉摄像头组成。该系统涉及机器人机械结构、控制电路、无
线通信、视觉与传感器、运动控制、人工智能决策和计算机编程等相关理论与技术。因此选择小型足球机
器人作为机器人课程案例教学的素材是较为合适的。
收稿日期：２００９—１１－２６；修回日期：２００９—１２—０７
基金项目：江苏技术师范学院教改项目（ＪＧ０７０３８）
作者简介：李尚荣（１９７２一），男，安徽肥东人，讲师，研究方向为机器人控制与仿生材料应用。
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴：基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ６７
（ａ）比赛场景
图１ Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人系统
（ｂ）系统组成结构图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓ￣ｔｅｍ ｏｆ ｒｏｂｏｃｕｐ ｓｍａｌｌ－ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
以小型足球机器人为案例素材，根据机器人课程的教学内容知识点，设计若干个案例，如表１所示。
下面对相关案例设计作简要概述。
表１机器人课程教学案例构成
Ｔａｂ．１ Ｃａｓｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ
３相关案例设计概要
３．１ 机器人机械结构及设计案例
小型足球机器人机械结构及设计案例内容主要包括：（１）设计过程分析。本案例需要分析如何从小型
足球机器人比赛规则，拟定机器人应具有的一些功能，如机器人总体外形应在直径为１８０ｍｍ的圆内，能
够灵活移动，能够射门等等。然后制定机器人具有的定性指标和定量指标，接着进行系统整体方案设计，
相关子系统方案及相互接Ｉ＝１等。如机器人结构应该是轮式结构、腿式结构、履带式结构？轮式结构应采用
两轮、三轮、四轮或更多轮结构？并对方案进一步细化，如轮子全向轮结构还是其它结构。在经过方案评价
和审查后，得出具有最佳的结构方案。然后进行原理设计、局部实验和分析，完成详细设计，非标准件进行
加工或定做，样机装配和调试，最后是样机优化和生产。（２）分析具有创新性的结构设计。四轮小型足球机
器人组成及功能，如图２（ｂ）所示，其中行走机构的轮子采用全向轮设计，该结构可使机器人沿任何方向
直线移动，能显著提高机器人的机动性。（３）多种设计方法综合运用。①三维设计软件，如Ｐｒｏ—Ｅ，有助于
及时发现结构设计的缺陷和机构间的空间干涉，实时显示设计效果；②动力学仿真软件，如ＡＤＡＭＳ或
６８ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第１５卷
ＭＡＴＬＡＢ，可分析机器人运动学和动力学特性；③注重实验分析，对工程问题应尽可能由实验进行验证，
特别是那些建模困难的机构，可通过试验来弥补理论分析的不足。如带球机构，通过理论分析难以获得最
佳的参数，如带球接触点、滚轮的材料、转速、直径、长度、结构等，通过设计简易的实验装置进行相关实验
获得最佳参数，不失为一种有效设计手段。
支撑 ☆：柱
球电磁铁
轮
悬挂
（ａ）Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人照片 （ｂ）Ｒｏｂｏｃｕｐ小型足球机器人底部机械结构
图２全向四轮小型足球机器人机械结构
Ｆｉｇ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｏｍｎｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｏｕｒ ｗｈｅｅｌｓ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
３．２机器人运动学与动力学案例
机器人运动学与动力学主要分析机器人各个关节的关节变量、几何尺寸与末端执行器、驱动源之间
的运动学和动力学关系。该案例运动学设计需要分析：（１）场地固定的坐标系与机器人坐标系之间的关
系。（２）机器人运动路径规划，即分析机器人在当前采样周期内，避开障碍，在机器人具有的最大速度和最
大加速度条件下，计算从一点移动到另外一点所要经过各点的位置和速度，并实时更新。（３）机器人运动
速度控制。决策程序根据路径规划得到每个机器人下一个采样周期的速度，然后分解得出四个轮子的转
速参数，并通过无线通信发给每个机器人，每个机器人则完成四个轮子的电机速度控制，以及带球和击球
机构驱动控制。如图３所示［２】。
图３ Ｆ１ ８Ｏ足球机器人运动控制原理
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｆ１ ８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴ｉ基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ６９
该案例动力学设计需要分析：（１）直流电机的选择。为实现电机速度闭环控制，一般选择带高分辨率
的编码器和减速器的直流电机，同时选择输出扭矩大的电机来获得较大的加速度，在机器人质量一定的
条件下。除了电机输出扭矩高，还需要考虑轮子与地面的摩擦系数，该系数与轮子材料和结构有关，实验
表明，单排全向轮要比双排全向轮产生的摩擦力大［３】。（２）加速度分析。每个电机输出不同的扭矩，在给定
轮子布局条件下，利用牛顿力学定律和Ｍａｔｌａｂ分析不同方向的最大加速度，在所有方向上所能达到的最
大加速度最小值即为机器人的最大加速度，该加速度是运动控制的基础。（３）击球动作分析。一般容易认
为击球动作分析应使用碰撞理论，但实验表明做功理论更合适。这两个理论对击杆的设计要求截然不同，
碰撞理论要求击杆质量越大越好，而做功理论则要求击杆质量越小越好，通过实验发现：相同条件下，瞬
间碰撞球获得的动能比击杆推球移动所做的功妻小得多。这对击杆设计具有指导意义：①只要保持足够
的刚性，击杆质量应越轻越好；②击杆和球接触的距离越长越好，因此，应将击杆布置在尽可能靠近球的
位置处，以增大做功距离。
３．３控制系统电路设计案例
该案例设计主要包括：（１）微控制器选择。依据系统需要处理信息的多少和实时陛要求。（２）四轮机器
人每个轮子的电机调速驱动信号、编码器脉冲信号捕获、带球机构电机的调速驱动。（３）电磁铁升压与驱
动、基于红外线的球位置检测信号。（４）无线通信接口、外扩解码器和仿真调试接口等。控制系统电路总体
框图如图４所示【３】，该案例重点分析每个模块电路的原理、实现和方法。
图４基于ＤＳＰ控制器的Ｆ１８０足球机器人主控电路结构图
Ｆｉｇ．４ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ Ｆ１８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ
３。４ 机器人控制技术案例
该案例设计内容包括：（１）直流电机ＰＷＭ调速与Ｈ桥驱动。分析基于ＰＷＭ的直流电机调速原理、
调速方法与电机编码器反馈信号读取。正交码盘所产生的两个脉冲序列输入到ＤＳＰ内部的事件捕捉单
元ＱＥＰ。或经外扩的正交解码器再输入到ＤＳＰ。通过固定周期采集码盘计数，将当前码盘计数减去上一周
期码盘计数可得到当前周期的计数，再用这个计数除以周期时间，单位换算后可到电机当前转速。将实测
转速和目标转速比较，通过ＤＳＰ内部事件管理模块ＥＶＭ的比较单元产生ＰＷＭ波，然后再控制电机的转
向和转速。（２）直流电机速度的ＰＩＤ控制方法。机器人移动控制主要表现为对四个电机的速度控制，如图
３所示，分析数字增量式ＰＩＤ速度闭环控制方法、参数整定以及程序实现。（３）电磁铁驱动控制。分析球位
置检测和小型直流电磁铁升压驱动控制原理与程序实现。
３．５ 机器人传感器技术案例
机器人传感器根据感知信息的来源可以分为内部传感器和外部传感器。小型足球机器人Ｉ的编码器、
红外传感器、陀螺仪、加速度传感器等均为内部传感器。悬挂于场地上方的多个机器人共用的ＣＣＤ摄像
７０ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第ｌ５卷
头为外部传感器。本案例重点分析：（１）红外线传感器的检测原理、电路和感知信息处理。红外线检测原理
如图５所示。（２）简要分析如何通过图像来识别场地上的机器人、球和球门等信息，并分析机器人暂时离
场或入场时机器人快速识别的方法等。Ｆ１８０足球机器人图像处理的流程如图６所示［３】。
敏管
Ｊ乙６
图５红外线检测原理图
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｍｉｃ ０ｆ ｉ ｌｒａｒｅｄ ｄｅｌｅｔｉｏｎ
图６ Ｆ１ ８０足球机器人视觉处理流程
Ｆｉｇ．６ Ｖｉｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｆ１ ８０ ｓ￣ｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
３。６ 机器人智能决策案例
在智能机器人体系结构中，一般分为上层决策和底层控制两个层次，目前小型足球机器人采用集中
式控制模式，在每个周期中，一台运算能力较强的上位计算机运行系统决策程序，如图７所示，视觉客户
端完成图像信息处理、并将结果通过网络服务器送给决策系统处理。比赛中裁判命令由裁判机通过
ＲＳ２３２串口送给决策系统。决策系统通过相应接口接收上述信息，由决策核心程序完成多个机器人协调
控制，决策的结果是下一个采样周期，各个机器人的行走电机速度，带球电机速度和是否击球的动作命
令，并由无线通信发送给每个机器人。另外，决策结果还可通过网络服务器实现在线仿真。底层控制是在
每个机器人中，由ＤＳＰ微控制器构成的底层控制系统，主要依次完成无线指令接收、运动速度目标值与
执行机构传感器检测值比较、控制信号送驱动模块、驱动执行机构等工作。
图７ Ｆ１ ８０足球机器人决策程序结构图
ｎ昏７ Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍ ｄｅｃｉｓｉｏｎｐｉｎ．ａｍｆｏｒＦ１８０ ｓｏｃｃｅｒｍｂｏｔ
第４期 李尚荣唐睿杨龙兴：基于Ｆ１８０足球机器人的案例教学 ７１
４ 案例教学
４．１ 案例教学前准备
在讲述完机器人常见的机械结构内容后，先让学生观看几个典型的国际国内小型足球机器人比赛录
像，使学生对小型足球机器人有一个直观感性认识。然后，对小型足球机器人竞赛活动做简要介绍。培养
学生学习兴趣。最后，给出部分小型足球机器人的文献资料源，如：（１）网站。（￣）Ｒｏｂｏｃｕｐ官方网站—ｗｗｗ．
ｒｏｂｏｃｕｐ．ｏｒｇ；②Ｃｏｍｅｌｌ大学Ｒｏｂｏｃｕｐ主页一ｈｔｔｐ：，／ｗｗｗ．ｃｉｓ．ｃｏｍｅｌ１．ｅｄｕ／ｂｏｏｍ／２ＯＯ５／ＰｒｏｊｅｃｔＡｒｃｈｉｖｅ／ｒｏｂｏｃｕｐ／。
③美国卡内基一梅隆大学小型组主页一ｈｔｔｐ：， ．ａｓ．ｅｍｉｌ．ｅｄｕ／一ｒｏｂｏｓｏｃｃｅｒ／ｓｍａｌｌ／；④机器人天空＿ｈｔｔｐ：
／／ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｓｋｙ．ｃｏｍ／；￣机器人发烧友天地－－ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｄｉｙ．ｃｏｒｎ／；（２）国内学术期刊：中国数字期刊网或
维普数据库；（３）中国专利网一ｈｔｔｐ：， Ⅳ、＾ｒ．ｃｎｐａｔｅｎｔ．ｃｏｍ／ｚｌｊｓ．ａｓｐ；（４）硕博士学位论文数据库。特别是Ｃｏｍｅｌｌ
大学小型足球机器人相关设计文档【羽。课前布置与教学案例相关的问题，要求学生自行查找资料，予以解
答。
４．２ 案例教学实施
４．２．１ 按照设计过程组织案例教学
机电系统设计的一般步骤有：拟定机器人开发目标一拟定性能参数一总体方案设计与评价一理论分
析与初步试验 详细设计一试制样机－÷试验、测试与优化一技术评价与审定 批量生产。机器人机械结
构设计和控制系统电路设计等教学案例实施，多数可以按照上述过程，依次展开，在每个阶段，按照
５ｗ１Ｈ（ｗｈ０，ｗｈｅｎ，ｗｈｅｒｅ，ｗｈａｔ，ｗｈｙ ａｎｄ ｈｏｗ）的要求提出问题，并重点分析原因以及如何实现。
４．２．２ 展示多种设计方法的运用
在实施教学过程中，强调应用多种设计方法来证明设计结果的正确性。理论设计与分析贯穿整个设
计过程，除了参考权威性的机械设计手册，还需要借助一些应用软件辅助设计，如使用Ｍａｐｌｅ数学软件来
进行理论公式的推导和运算；利用Ｍａｔｌａｂ及其工具箱可进行运动控制分析；借助三维设计软件，如
Ｐｒｏ—Ｅ，ｉｄｅａ—Ｓ可快速显示设计结果，及时发现和方便修改存在的设计问题。对于工程问题，仅有理论分析
是不够的，何况有些问题难以找到合适的理论来分析，一般需要试验来验证，如机器人的带球机构分析，
实际带球效果就需要借助实验来检验不同材质的滚轮、不同直径的滚轮、不同放置高度的滚轮在机器人
静止或运动状态下带球效果的差异，从而获得最佳的设计参数。
４．２．３分组自由讨论与引导相结合
教学过程中，结合机器人足球的实际开发，将机器人课程的有关理论与方法用于机器人足球的设计
与开发，同时为了充分调动同学们的积极性，进行课堂案例讨论时，可以对同学们进行分组，３ ５人为一
个小组，在课堂讨论中，针对每个问题，让同学们自己想出问题解决方法和过程。给每组同学一定时间，并
根据每组同学的回答予以考评。对于那些大家都感觉困难的问题，教师应及时引导和提示，把握好教学进
度，引导学生讨论问题方向。作业布置和完成也以小组为单位，组内学生分工协作，教学后要求每个小组
写出一份分析报告，要求分析如何将该章节讲述的重要理论、方法用于机器人足球系统的开发，该报告作
为相关案例教学之后检验学习成果的依据。
４．３ 案例教学与其它教学手段相结合
４．３．１ 实验课与案例教学相互补充
目前机器人的实验课由于缺少合适的实验设备，所能采用的实验多为项目和内容相对比较单一，缺
乏整体系统性的实验，而这些实验往往又需要多个学科的知识，同时又需要较长的时间才能完成。因此。
实验课训练学生一些有关机器人课程的单个或几个知识点的问题，而通过案例教学，进一步丰富了学生
对机器人系统的认识，极大地丰富了机器人课程的教学内容。
７２ 江苏技术师范学院学报（自然科学版） 第ｌ５卷
４．３．２ 将机器人课程与毕业设计相结合
将机器人案例教学与毕业设计相结合。可组织白控、机械、电子、计算机等专业的大学生从三年级就
开始就参加毕业设计，由以上专业的教师联合组成跨学科的指导教师小组，来制作多台不同结构和功能
的教学用智能机器人，按照低成本、模块化 系统集成的设计思想，研制了多种通用机器人设计和制作的
标准化模块及多种传感器模块。利用学生的课余时间延长毕业设计时间，提高了毕业设计课题的综合性，
培养了学生的设计能力、创新能力、动手能力和跨专业的综合应用能力，为机器人教育的发展和机器人应
用人才的培养提供了新的途径，为工程教育改革开辟新思路。
４．３．３ 将机器人课程与创新实践相结合
机器人实践活动对提高学生动手实践能力和创新思维的培养具有重要意义，许多院校都围绕机器人
主题开展不同层次的创新实践活动。将案例教学和小型足球机器人制作的创新实践活动相结合，无疑会
极大地促进机器人课程教学效果。
５ 结 语
根据机器人课程相关内容，设计若干个教学案例，并简述每个案例设计的要点。采用案例教学可以改
变传统的单纯理论教学模式，有助于学生理解和掌握理论知识，增加感性认识，同时，也有助于提高学生
分析问题和解决问题的能力，增强学习主动性和积极性。当然，案例教学只是理论教学的一种有益的补
充，它还需要和相关实验、毕业设计以及实践创新活动等教学环节相互结合，相互补充，才能取得更好的
教学效果。
参考文献：
【１】郑金洲．案例教学指南【Ｍ】．上海：华东师范大学出版社，２０００．
【２】陈万米，张冰，朱明．智能足球机器人系统［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００９．
【３】陈盛．足球机器人协调控制系统研究【Ｄ】．合肥：中国科学技术大学，２００５．
［４】Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｒｏｂｏｅｕｐ Ｔｅａｍ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｘ／ＯＬ］．Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ［２００９－１０－２８］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｓ．
ｃｏｒｎｅ１］．ｅｄｕ／ｂｏｏｍ／２００５／ＰｒｏｊｅｃｔＡｒｃｈｉｖｅ／ｍｂｏｃｕｐ／ｄｏｅｕｍｅｎｔａｆｉｏｎ．ｐｈｐ．
Ｂｒｉｅｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃａｓｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆ１ ８０ Ｓｏｃｃｅｒ Ｒｏｂｏｔ
ＬＩ Ｓｈａｎｇ－ｒｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｒｕｉ，ＹＡＮＧ Ｌｏｎｇ－ｘｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｎａｇｓｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｂｏｃｕｐ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ
ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃａｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｔｏｇｅｔｈｅｒ．
ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆ１８０ ｓｏｃｃｅｒ ｒｏｂｏｔ；ｃａｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ
责任编辑张志钊