青少年機器人競賽的困境及突破

摘 要：文章以參加電腦機器人競賽的過程為切入點，分析青少年在參加機器人競賽過程中遇到的難題，嘗試給出一些解決方法和技巧，以此探索一條切實可行的科技教育道路。

關鍵詞：人工智能；機器人競賽；教育；策略

作者簡介：趙欣，福建省三明市第十一中學教師，研究方向為信息技術與機器人。（福建 三明 365000）

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）31-0088-02

青少年機器人競賽是當今青少年科技教育中新興的一個科技活動，雖然開展了較多年，但如何更有意義地引導學生參與競賽，值得進一步探索。組織競賽的過程中，涉及到機器人器材、機器人程序、機器人結構、學生搭檔等諸多方面。一連串的問題引發我們思考：怎么才能全方位準備，保證參賽順利，既使得學生在比賽過程中得到鍛煉，也讓學生在提高自身能力的同時，獲得前沿的科技知識。

一、精選器材，事半功倍

在競賽器材的選擇上，主要從硬件和軟件兩方面出發考慮器材的選擇。中國青少年機器人競賽所使用的機器人套材都是由指定的廠家生產。

硬件的選擇方面，各廠家的器材大同小異，基本都是主機加上各種驅動模塊以及馬達，但需要考慮的是硬件的配置以及質量的穩定性，硬件性能穩定尤為重要。機器人在程序相同的情況下，經常莫名其妙出毛病，可能就是硬件上傳感器或者馬達不夠穩定，存在潛在的問題，而且這種問題最難解決。

軟件的選擇方面，各廠家獨立制作單獨的編程軟件支持各自的硬件運行，用戶沒有選擇的余地，一般一種硬件配一種軟件，但優秀的軟件能夠彌補硬件的一些缺陷。如果硬件是基礎的話，軟件就是靈魂。所以，軟件的選擇在硬件同質化的今天，可能起到更重要的作用。以未來伙伴、納英特、中鳴數碼這三家的軟件來說，都是以圖形化編程為主，都能夠用C語言代碼輔助編寫程序。但圖形化編程與C語言代碼各有優劣，能夠相互融合的軟件為最佳，在這點上，中鳴數碼的編程軟件最為靈活。

二、隊員搭配，相互促進

雖然是機器人競賽，但實質還是人的競賽。競賽中的“綜合技能”項目非常強調兩個人的配合，“綜合技能”項目不僅是軟件自身的編程功能比較，還是參賽者硬件搭建能力競技。機器人的硬件搭建是基礎，軟件調控是上層建筑，缺一不可。比賽開始后，學生要在半小時內完成一兩百個零件、螺絲以及線纜的正確安裝，如果搭建太慢，則編程的同學沒有時間調試。所以，負責編程的同學在比賽前期要配合搭建的同學一起搭建。搭建結束后，編程的同學專心編程和調試，搭建的同學要負責檢修機器人，保證機器人一直處在最優狀態。如果隊員配合不當，負責搭建的同學沒把機器人安裝好，負責編程的同學調試一直出問題，又找不到問題所在，那么會嚴重影響這個比賽的進程。

三、夯實基礎，成功一步

“綜合技能”項目已經是機器人競賽中的一個常規項目，每年的競賽場地都沒有太大的變化，變化的是場地上的任務以及道具。因為場地固定，所以“綜合技能”中最重要的“技能”是機器人走線。任務分布在比賽場地的各個拼裝塊中，如果機器人走線無法走到任務所在拼裝塊，自然無法完成任務。

要完成機器人走線的任務，必須從單個拼裝塊的圖形走起。十字拼裝塊相對比較容易，但過程中很少會遇到。難度在于24塊異形拼裝塊（見圖1），這些拼裝塊有簡單的也有難的，單個圖形要走過去，相對不難。但是在拼裝塊連接起來后，就產生了很多變化，需要做臨時調整。所以，訓練的時候，必須先從十字拼裝塊開始，然后是單個的異形拼裝塊，最后十字拼裝塊和異形拼裝塊混合訓練。如果機器人走線基礎沒打好，就無法進行下一步的訓練。

四、精研任務，逐個擊破

本次“嫦娥奔月”共12個任務。分別是：釋放月球車、回望拍照、采集月巖、月面搜索、定點觀測、清除月面障礙、樹立標志、回收設備、月面攝影、休眠與喚醒、檢修月球車、返回。在執行這些任務的過程中，必須認真研究規則，針對規則對機器人進行軟硬件的修改。

例如：這12個任務中，其中“回望拍照”任務，規則規定“4.2.2正確回望的標準是機器人在規定的分區內靜止5秒鐘以上且激光器的光斑必須落在錐臺上300mm×300mm正方形區域，拍照的標準是LED燈閃動兩次。”中鳴廠家的出廠設計并不是很好，最初的設計如圖3，缺陷在于激光器只有2個自由度，也就是說這個激光器的角度，只能在兩個維度上轉動，而賽題千變萬化，這就限制參賽隊員的路線設計。所以，經過思考，將其改裝成圖4的樣子。圖4中，除了激光器外，還有3個自由度，能夠保證激光器全方位的轉動，即無論機器人運行到哪個位置，激光器都能360度無死角地調整到照射待命區錐臺上。

在訓練過程中，要對每個任務進行逐一分析，不斷修改機器人的軟硬件搭配，讓機器人在任何位置都能保質保量地完成競賽的每一個任務。

五、任務分析，縱覽全局

在比賽規則出來之后，要對所有任務進行整體分析，區分在12個任務中哪些任務屬于簡單任務，哪些屬于普通任務，哪些屬于困難任務。評判的標準為：

簡單任務：機器人到達指定地點，不需要做額外的動作即算完成任務，如釋放月球車（機器人到達某一十字拼裝塊的某一分區）；返回（機器人回到待命區）；月面搜索（機器人經過異形拼裝塊）；休眠與喚醒（機器人到達指定位置后旋轉）。

普通任務：機器人到達指定地點后，僅需做簡單動作，無須自主判斷選擇。如：回望拍照（機器人到達指定地點后，閃爍LED以及打開激光器）；定點觀測（機器人到達地點后放下設備模型）；月面清障（機器人移開500克的可樂罐）；樹立標志（機器人翻起一個長方體木塊）；月面攝影（機器人到達指定地點后向四個方向旋轉并停頓）。

困難任務：機器人到達指定地點后，需要做比較復雜的動作或者需要機器人自主判斷后做出動作的任務，以及和別的任務相關聯的任務。如：采集月巖（要自主判斷顏色以及篩選回收色塊）；回收設備（機器人收回定點觀測釋放的設備）；

當然，任務能簡單進行歸類，但任務的難易程度也隨著任務所在位置和擺放方向而改變，如樹立標志任務，如果標志放在比較邊角的位置，這個任務就變成了難的任務。再如，回收設備任務，如果設備被放在比較靠近墻角的位置，機器人要完成這個任務也變得困難。所以首先要做簡單分析，初步把握所有任務的難易，在競賽中，按照任務難易進行機器人的路線設計，這樣站在戰略高度考慮問題，便可獲得高分。

六、競賽策略，決勝法寶

機器人競賽，也需講究策略。策略選擇正確，則比賽簡單容易，否則一路荊棘，舉步維艱。競賽考驗的不僅是選手的專業知識，還有選手的應變以及決策思維。如規則7.3指出如果完成了規定的所有任務且結束比賽使用的時間不超過150秒，額外加記時間分，時間分計算方式為150減去結束比賽實際所用秒數；7.4也指出如果在比賽中沒有重試，機器人動作流暢，一氣呵成，加記流暢獎勵50分。這兩個規則中，7.3規定了機器人完成所有任務，可以加上時間分，7.4還可以有“一氣呵成”50分。要做到7.3已經不容易，要做到7.4更不容易。但巔峰對決，往往就是在此處拉開差距。所以，在學生訓練的時候，要按照任務的多少來規劃路線，任務多則考慮完成第一條即可，因為如果要完成第二條路線太繞，時間也不夠，則成功率也不高。要完成第二條，必須在任務不太多的情況下去完成。比賽時學生需要保持清醒的頭腦，首先判斷任務的難易，規劃出不容易失誤的路線，舍去某些容易失誤的任務，保證絕大多數任務能夠完成，才能在比賽中獲得高分贏得勝利。

青少年機器人競賽是科技教育很好的一個載體，通過競賽不僅能讓學生接觸到看似遙不可及的科學知識，培養他們的科學素養，還可以訓練學生關注細節、縱覽全局的意識。參加機器人競賽，可以鍛煉學生的綜合能力，極大的提高學生對科技教育的認知，培養學生的科研素質。

責任編輯 陳 晨