FLL挑戰(zhàn)任務技術思路

作為一名有多年經(jīng)驗的青少年機器人競賽教練員，我在此就FLL挑戰(zhàn)任務具體技術思路方面分享一些經(jīng)驗，亦與各位教練員共勉。FLL機器人工程挑戰(zhàn)賽是一項青少年國際機器人比賽項目，整個競賽分為現(xiàn)場競技、技術問辯、課題研究幾個部分，在培養(yǎng)青少年機器人興趣和技能的同時鼓勵他們關注社會，積極運用科學技術解決各種問題。每年競賽組委會都會以一個世界熱點話題為主題，現(xiàn)場競賽部分在一塊場地上圍繞這個主題設計十余項任務，由機器人完成，并且要求參賽團隊結合生活對這個主題開展課題研究，最后還要在技術問辯時進行課題介紹和展示團隊風采，這也是對參加活動青少年的一次綜合、全面的考查。

總體設計

不管是建造高樓大廈還是編寫軟件，都是從總體設計開始的，ELL挑戰(zhàn)任務方案也不例外。學生，尤其是低年級的學生，易傾向于卷起袖子就干，直接搭建機器人主體部分，然后根據(jù)不同任務添加不同策略物，一旦中途發(fā)現(xiàn)方案不可行極可能要放棄此方案重新再設計，造成不必要的時間浪費。一個好的方案第一步應該是先從整體考慮的，結合自身的條件綜合分析各項任務，哪些任務要做，哪些不做，哪些一塊兒做，用什么方法去實現(xiàn)，等等，這些都要在腦海中勾畫出輪廓，某些關鍵的細節(jié)方面可能需要先做出雛形試驗，然后估算其可行性。這一步非常重要，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、鍛煉學生綜合思考能力的一環(huán)。直覺思維傾向的學生在這方面有相對優(yōu)勢，在學生組隊的時候應盡量搭配好。

2012年ELL主題是食品安全，挑戰(zhàn)任務難度是歷年最高的，以學生今年參賽方案總體設計舉例：

①自身條件：有足夠的樂高器材；學生也比較有經(jīng)驗，結構較復雜集成度較高的方案應該能設計出來。

②任務選擇分析：理想的分時比452分/150秒≈3分/秒，單個任務來看分時比最高的是細菌任務，遠高于3分/秒，清除污染、收割機、比薩、冰淇淋等任務分時比較低，分時比高的任務應盡量優(yōu)先。當然考慮到一次完成多個任務的情況，各任務的分時比是會變動的，是否需要放棄哪些任務還得看最終的方案。

③任務分析設計：南面靠墻的幾個任務在一條線上，可以一塊兒完成；西面的一些任務亦是距離較近，可一塊兒完成；東面的細菌、比薩、溫度計等任務亦可以一塊兒完成；北面的老鼠任務是競爭性的，要不要做還需根據(jù)最終方案來決定；送細菌到洗手池任務分時比最高，確保穩(wěn)定再謀速度。

④結構分析設計：任務較多，難度較大，主體和策略物需分離才能更好地完成任務，而且更換策略物須方便快捷；可能的話，主體的馬達數(shù)量應盡量少，以騰出第3個馬達來完成更多的任務。

⑤比賽經(jīng)驗分析：比賽時難免有意外因素，需要預留足夠的時間以防意外事情發(fā)生，如預留15秒時間。因此訓練時不能把150秒全部用完，哪怕放棄一些任務。

能量與力

在設計具體結構之前，先分析能量與力，作為結構設計的依據(jù)。因為不管用什么方法去完成任務，總要有能量，總會在力這方面得到體現(xiàn)，所以從這個角度去看問題會更加清晰。

例如，學生在設計機器人去完成任務時一般首先想到的是直接使用馬達。問題在于機器人行走就使用了2個馬達，只剩下1個馬達去做任務了，所做有限。其實從能量這個角度去看，行走馬達已經(jīng)提供了能量，主體部分在行走時已經(jīng)帶有動能，可以設計合理的結構，利用這個動能獲得力去完成任務。再如，以今年FLL挑戰(zhàn)任務為例，如果只是希望把東北方向的細菌清空出場地上的話，只要輕輕觸碰開關即可，只需很少的能量即可完成，很容易想到彈射一個球出去碰撞開關的方法，因為這方法所需能量幾乎是最少的。

從力的角度看，除馬達外，有很多其他方法可以獲得力以完成任務，如彈力、重力、摩擦力、壓力等。

彈力：橡皮筋是最可以靈活實用的彈力裝置，因為可以在基地拉緊橡皮筋，如此機器人則攜帶了彈性勢能在里面，出基地后可以用于完成任務。橡皮筋也不一定要在基地拉緊，從能量轉換的角度來看，出基地后馬達的能量也可以用來拉緊橡皮筋，或者其他形式的能量都可以相互轉換。順便一提，并非只有橡皮筋、彈簧等能提供彈力，可根據(jù)需要而定，不必拘泥，如一些軟軸也多少具有一定的彈性。

重力：司空見慣了，大家反倒容易疏忽了重力，盡管下意識地會利用它。從能量角度來看，基地是個立體空間，意味著機器人在那里可以獲得一些重力勢能，出基地后就可以加以利用，一般可以去完成基地附近的任務。以今年FLL挑戰(zhàn)任務為例：如果希望完成北面的黃色小球任務、收割機上的玉米掉場地上或者基地旁邊的粉色細菌掉場地上，那么可以在基地豎起一個策略物，機器人離開基地時，此策略物整個倒下去（同時離開基地）完成以上任務。此方法的好處是利用了“免費的”重力勢能去完成任務，讓機器人騰出更多的時間去做其他任務。

摩擦力：摩擦力是把雙刃劍，有利有弊。很多時候我們都在想辦法避免摩擦，如機器人頂著圍欄走的時候加個輪子以減小摩擦；有的時候摩擦力卻可以加以利用幫助機器人去完成任務。

壓力：氣泵就是典型的利用氣體壓力的裝置，最常見的物體接觸產(chǎn)生的力也屬于壓力范疇。

當然還有其他形式的力，如有需要，都可加以利用，不一而足，在此不再贅言。

具體結構

牢固穩(wěn)定、靈活高效、速度快的結構是我們共同的追求，結構設計得好，事半功倍。除物理知識外，建議大家多了解一些基本的機械方面的知識，做起來才順手，比如杠桿、，齒輪傳動變速、單向裝置、運動轉變、連接方法、觸發(fā)開關等。

機器人結構須牢固，重心位置合理，防止行走打滑，需要的話可以使用加重積木塊去修正重心。如果結構牢固得像坦克一樣，行走很穩(wěn)定，就能省卻一些不必要的麻煩，例如機器人從東走到西誤差不超過1厘米，那有些地方就不用傳感器去糾偏了。使用傳感器去糾正機器人行走偏差來保證其穩(wěn)定性是大家常用的方法，一般來說比較費時，能不用則盡量不用，還可以使用更穩(wěn)定的物理定位來代替。比如機器人頂撞圍欄來確保行走穩(wěn)定；又如今年FLL洗手任務，通過頂扣水池確保精確穩(wěn)定等。

說到靈活高效，最重要的是集成度，換句話說就是機器人一次出基地能把多個任務一起完成，當然越多越好，對任務較多的挑戰(zhàn)來說這點也許就是關鍵了。此前分析能量與力，在這里派上用場了。我們可以利用盡可能多的方法去完成任務，觸發(fā)開關一般是在固定位置借力，應盡量輕巧實用，另外基地是個立體空間，盡量加以利用。例如：今年FLL任務，南面一條線上有不少任務，機器人或策略物只需靠墻直進直退即可，那么行走只需1個馬達即可，可以利用諸如橡皮筋的彈力、重力、頂撞場上固定模型的反作用力等去完成任務。如此，可以設計機器人主體部分去完成西面任務的同時擁有第3個馬達的策略物去完成南面的任務，中間1根電線相連即可。

速度在今年難度很大的挑戰(zhàn)中顯得尤為重要。結構上來說，大小齒輪傳動能提高速度，但考慮到穩(wěn)定性，建議別過多使用。程序上來說，盡量減少停頓也是能提高速度的。還有一點很重要卻容易被忽略，切換任務的時候，選擇程序、更換策略物要盡可能方便快捷。要在程序上省下5秒鐘并不容易，但在任務切換時設計得好的話能輕易辦到，這點可以節(jié)省不少時間，建議大家觀看自己的錄像去分析。速度與穩(wěn)定有時難以兼得，只能具體情況具體分析。

程序

如果方案設計良好，其實程序并不復雜，甚至可以說很簡單。有幾點體會：盡量讓學生先寫流程圖再寫程序，多使用模塊讓程序變得簡單明了；所有任務的程序編寫在同一個程序文件里，通過開關（比如觸感）來選擇，減少按鍵次數(shù)以節(jié)省時間；程序中盡量減少停頓保證速度；程序盡可能高效，例如只驅(qū)動單個馬達使用電機圖標即可，不必使用移動圖標。