做一台迷你相扑机器人：抓地、铲子与边缘感知

做的是什么

两车一场，除彼此和地面传感器啥都不指。最后还在里面赢。

这是本站最简单的目标，但它并不像看上去那么容易，因为相扑是唯一一台机械结构决定胜负、而代码只需要别把这优势丢掉的机器人。其它每一个项目都奖励更好的算法；这一个奖励一个更锋利的铲子。

这种颠倒值得体验一次。它也是下面这个制作顺序第一天全花在算术上、最后一天才谈行为的原因，而这与大多数人的开局正好相反。

定胜负的三个数

**推力 5.9 N，电机能 25 N。**500 g 车硅胶胎摩擦限四倍。传动永远不是约束，顶格重量全压驱动轮，电机预算买减速比不买功率。

**一个能把对手抬起 40% 的铲子，能给你 2.3 倍于对手的推力。**你从对手身上卸下的重量落到了自己身上，所以这个比值是 (1+f)/(1−f)，而且它上升得很陡。没有任何其它单一改动能接近这个效果。

**你能跑到大约 0.8 m/s。**不是因为电机不够用，而是因为25 mm 白边加上 25 ms 延迟就是全部的刹车空间了。大多数第一台机器人都按两倍的速度来做减速比，结果输在边界上，而不是输给对手。

三句整设计。下面怎么到。

物料单

迷你相扑有正式的级别规定：启动时占地 10 × 10 cm，限重 500 g，在一个 77 cm 的场地里对战，带 2.5 cm 宽的白边。规则直接塑造了物料清单。

合计约 $65–90。

有两点不是“能跑就行”，而是直接决定胜负的。

**重量压驱动轮，顶格。**推力是摩擦，摩擦系数乘正压力。驱动胎上每克外浪费，相扑车精确 500 g 跑，几乎全压两轮。

**轮胎比电机重要。**一台已经达到附着力极限的机器人，再加大扭矩也没有意义——轮子只会打滑。从硬塑料（μ 约 0.4）换成硅胶（μ 1.2 或更高），花五块钱就能把可用的推力提高到大约三倍，这是任何电机升级都比不了的。

制作顺序

**1——先定质量和轮胎。**在还没有一行代码的时候，它们就已经决定了你的推力。目标瞄 500 g 上限，质量尽量低并且压在驱动轮上方；用硅胶或软聚氨酯轮胎，不要用底盘套件自带的那套。μ 1.2 对 μ 0.7 意味着多 72% 的推力，而代价只是一副轮子的钱。

**2——按扭矩选减速比，并检查堵转电流。**相扑机器人工作在电机曲线的扭矩端，轮速大约 0.8 m/s，而不是底盘套件假设的 1.5。然后算出两台电机堵转时吃多少电流——大约 3 A——并按这个值给电池包做预算，而不是按巡航电流。整整一回合就是一次持续的堵转。

**3——让它独自在场地里能在白边处停住。**这就是那个里程碑。在两个前角装上反射传感器，尽可能靠前，只要还能看见白线就行，并且要按真实场地标定，而不是按你的书桌标定。朝着白边全速冲五十遍，从各个角度都试。在这变得无聊而可靠之前，根本不用谈加入对手——一台自己开出场地的机器人，不被推也会输。

**4——每次主循环都读边缘传感器。**你反应距离里有五分之四是在等下一次循环迭代，而一次阻塞式的测距读取，恰好在最不该失明的时刻造成 20 ms 的盲区。非阻塞计时是最便宜的提速手段。

5——对手感知加。VL53L0X 朝前，可选两外八字 45°。窄波束要紧：场里超声波大都找场。

**6——把行为写成显式的状态。**搜索、冲锋、推挤、撤退，同时让边缘反射抢占它们全部。这是有限状态机的一个教科书式案例，因为边缘检查必须在每个状态里都运行，而且代码里不能有任何一条绕过它的路径。

**7——最后再做铲子，而且永远迭代它。**它是杠杆率最高的部分，同时也是最容易改动的部分。

行为，一段话

从一个强制延迟开始——大多数规则要求五秒。然后搜索：原地旋转，或者走一小段弧线，直到前方传感器报告约 40 cm 内有东西。冲锋：全功率直冲过去。推挤：一直推，直到测距距离变大（说明对手动了）或者你检测到了边界。撤退：任何边缘检测都要触发——先全速倒车，停稳，再转回场地中心。撤退的优先级高于其它一切，在任何状态下、任何时刻都成立。

微妙之处在于，从前方传感器看，“正在推”和“被卡住”长得一模一样。如果你有编码器，那么满指令下轮速为零就意味着堵转，而这就是你后撤、换个角度重新接近的信号，而不是一直磨到电池耗尽。

真正要紧的硬件注意事项

**铲尖决定胜负。**薄钢片或铝片磨出刃口，用一个刚性支撑把它撑在离地零点几毫米的高度。如果装在柔性支架上，它会从对手身上翘过去而不是钻到下面，这会让整个重量转移计算的符号反过来。

**前沿低。**对手铲前沿上推力，掀多少看重心高出多少。高车推不赢的车掀。

**能不用万向轮就不用。**压在自由滚动轮子上的重量不产生任何牵引力。两个驱动轮加一个低摩擦的滑块——一个 PTFE 按钮或一颗圆头螺丝——能让几乎全部的质量都干上活。

**保护好走线。**这是本站唯一一台会被蓄意撞击的机器人。露在外面的东西都会挨撞；插在接插件上的东西都会松脱。

**用金属减速箱。**在一台正常工作状态就是堵转的机器人上，塑料齿轮会崩齿；而在比赛中途减速箱崩掉，和电池没电看起来毫无区别。

做好长什么样

边缘反应时间是决定胜负的那个数，它的影响比推力更大。场地的白边宽 2.5 cm。一台以 0.5 m/s 行进的车跨过这条白边只要 50 ms——所以 100 ms 的反应时间意味着，机器人还没决定完要停，就已经出场了。

这份预算可以拆成传感器读取时间、主循环周期和刹车距离。三者都是可以攻的：边缘传感器的轮询频率要比其它部分高得多，控制循环要尽量紧凑，并且要刹车而不是滑行——通过 H 桥把电机短路掉的停车效果比单纯断电要强得多。

附着力天花板算术说。500 g 两驱动轮硅胶胎 μ = 1.4：

maximum pushing force = 0.5 kg x 9.81 x 1.4 = 6.9 N

之外轮子空转不管电机扭矩——相扑车附着问题穿电机问题衣服。

坏了看哪

这八条里有六条是机械或传感故障，微型迷宫鼠呈现的是同样的分布、同样的原因：算法只是小头。

如果你只想要传感和刹车几何、而不想要机械上的军备竞赛，避障模拟器会用同样的停车距离算术配一个前向传感器来跑，而避障机器人是更温和的版本，硬件大部分相同。至于这一切底下的传动理论，电机控制路线从选型开始，到里程计结束。