青少年機器人競賽的困境及突破

青少年機器人競賽是當(dāng)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(dǎo)學(xué)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(jié)構(gòu)、學(xué)生搭檔等諸多方面。一連串的問題引發(fā)我們思考：怎么才能全方位準(zhǔn)備，保證參賽順利，既使得學(xué)生在比賽過程中得到鍛煉，也讓學(xué)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(fā)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(chǎn)。

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(qū)動模塊以及馬達(dá)，但需要考慮的是硬件的配置以及質(zhì)量的穩(wěn)定性，硬件性能穩(wěn)定尤為重要。機器人在程序相同的情況下，經(jīng)常莫名其妙出毛病，可能就是硬件上傳感器或者馬達(dá)不夠穩(wěn)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(yōu)秀的軟件能夠彌補硬件的一些缺陷。如果硬件是基礎(chǔ)的話，軟件就是靈魂。所以，軟件的選擇在硬件同質(zhì)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(shù)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(yōu)劣，能夠相互融合的軟件為最佳，在這點上，中鳴數(shù)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(zhì)還是人的競賽。競賽中的 “綜合技能”項目非常強調(diào)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(chǔ)，軟件調(diào)控是上層建筑，缺一不可。比賽開始后，學(xué)生要在半小時內(nèi)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(xué)沒有時間調(diào)試。所以，負(fù)責(zé)編程的同學(xué)在比賽前期要配合搭建的同學(xué)一起搭建。搭建結(jié)束后，編程的同學(xué)專心編程和調(diào)試，搭建的同學(xué)要負(fù)責(zé)檢修機器人，保證機器人一直處在最優(yōu)狀態(tài)。如果隊員配合不當(dāng)，負(fù)責(zé)搭建的同學(xué)沒把機器人安裝好，負(fù)責(zé)編程的同學(xué)調(diào)試一直出問題，又找不到問題所在，那么會嚴(yán)重影響這個比賽的進程。

三、夯實基礎(chǔ)，成功一步

“綜合技能”項目已經(jīng)是機器人競賽中的一個常規(guī)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(wù)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(wù)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(wù)所在拼裝塊，自然無法完成任務(wù)。

圖1

要完成機器人走線的任務(wù)，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(chǎn)生了很多變化，需要做臨時調(diào)整。所以，訓(xùn)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(xùn)練。如果機器人走線基礎(chǔ)沒打好，就無法進行下一步的訓(xùn)練。

四、精研任務(wù)，逐個擊破

本次 “嫦娥奔月”共12個任務(wù)。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(biāo)志、回收設(shè)備、月面攝影、休眠與喚醒、檢修月球車、返回。在執(zhí)行這些任務(wù)的過程中，必須認(rèn)真研究規(guī)則，針對規(guī)則對機器人進行軟硬件的修改。

例如：這12個任務(wù)中，其中 “回望拍照”任務(wù)，規(guī)則規(guī)定 “4.2.2正確回望的標(biāo)準(zhǔn)是機器人在規(guī)定的分區(qū)內(nèi)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(qū)域，拍照的標(biāo)準(zhǔn)是LED燈閃動兩次?！敝续Q廠家的出廠設(shè)計并不是很好，最初的設(shè)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(zhuǎn)動，而賽題千變?nèi)f化，這就限制參賽隊員的路線設(shè)計。所以，經(jīng)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(zhuǎn)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(diào)整到照射待命區(qū)錐臺上。

在訓(xùn)練過程中，要對每個任務(wù)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(zhì)保量地完成競賽的每一個任務(wù)。

五、任務(wù)分析，縱覽全局

在比賽規(guī)則出來之后，要對所有任務(wù)進行整體分析，區(qū)分在12個任務(wù)中哪些任務(wù)屬于簡單任務(wù)，哪些屬于普通任務(wù)，哪些屬于困難任務(wù)。評判的標(biāo)準(zhǔn)為：

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

普通任務(wù)：機器人到達(dá)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(dá)指定地點后，閃爍LED以及打開激光器）；定點觀測 （機器人到達(dá)地點后放下設(shè)備模型）；月面清障（機器人移開500克的可樂罐）；樹立標(biāo)志 （機器人翻起一個長方體木塊）；月面攝影 （機器人到達(dá)指定地點后向四個方向旋轉(zhuǎn)并停頓）。

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

當(dāng)然，任務(wù)能簡單進行歸類，但任務(wù)的難易程度也隨著任務(wù)所在位置和擺放方向而改變，如樹立標(biāo)志任務(wù)，如果標(biāo)志放在比較邊角的位置，這個任務(wù)就變成了難的任務(wù)。再如，回收設(shè)備任務(wù)，如果設(shè)備被放在比較靠近墻角的位置，機器人要完成這個任務(wù)也變得困難。所以首先要做簡單分析，初步把握所有任務(wù)的難易，在競賽中，按照任務(wù)難易進行機器人的路線設(shè)計，這樣站在戰(zhàn)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(yè)知識，還有選手的應(yīng)變以及決策思維。如規(guī)則7.3指出如果完成了規(guī)定的所有任務(wù)且結(jié)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(jié)束比賽實際所用秒數(shù)；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(guī)則中，7.3規(guī)定了機器人完成所有任務(wù)，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(jīng)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(xué)生訓(xùn)練的時候，要按照任務(wù)的多少來規(guī)劃路線，任務(wù)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(wù)不太多的情況下去完成。比賽時學(xué)生需要保持清醒的頭腦，首先判斷任務(wù)的難易，規(guī)劃出不容易失誤的路線，舍去某些容易失誤的任務(wù)，保證絕大多數(shù)任務(wù)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(xué)生接觸到看似遙不可及的科學(xué)知識，培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)，還可以訓(xùn)練學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)、縱覽全局的意識。參加機器人競賽，可以鍛煉學(xué)生的綜合能力，極大的提高學(xué)生對科技教育的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。