青少年机器人竞赛的困境及突破

摘 要：文章以参加电脑机器人竞赛的过程为切入点，分析青少年在参加机器人竞赛过程中遇到的难题，尝试给出一些解决方法和技巧，以此探索一条切实可行的科技教育道路。

关键词：人工智能；机器人竞赛；教育；策略

作者简介：赵欣，福建省三明市第十一中学教师，研究方向为信息技术与机器人。（福建 三明 365000）

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）31-0088-02

青少年机器人竞赛是当今青少年科技教育中新兴的一个科技活动，虽然开展了较多年，但如何更有意义地引导学生参与竞赛，值得进一步探索。组织竞赛的过程中，涉及到机器人器材、机器人程序、机器人结构、学生搭档等诸多方面。一连串的问题引发我们思考：怎么才能全方位准备，保证参赛顺利，既使得学生在比赛过程中得到锻炼，也让学生在提高自身能力的同时，获得前沿的科技知识。

一、精选器材，事半功倍

在竞赛器材的选择上，主要从硬件和软件两方面出发考虑器材的选择。中国青少年机器人竞赛所使用的机器人套材都是由指定的厂家生产。

硬件的选择方面，各厂家的器材大同小异，基本都是主机加上各种驱动模块以及马达，但需要考虑的是硬件的配置以及质量的稳定性，硬件性能稳定尤为重要。机器人在程序相同的情况下，经常莫名其妙出毛病，可能就是硬件上传感器或者马达不够稳定，存在潜在的问题，而且这种问题最难解决。

软件的选择方面，各厂家独立制作单独的编程软件支持各自的硬件运行，用户没有选择的余地，一般一种硬件配一种软件，但优秀的软件能够弥补硬件的一些缺陷。如果硬件是基础的话，软件就是灵魂。所以，软件的选择在硬件同质化的今天，可能起到更重要的作用。以未来伙伴、纳英特、中鸣数码这三家的软件来说，都是以图形化编程为主，都能够用C语言代码辅助编写程序。但图形化编程与C语言代码各有优劣，能够相互融合的软件为最佳，在这点上，中鸣数码的编程软件最为灵活。

二、队员搭配，相互促进

虽然是机器人竞赛，但实质还是人的竞赛。竞赛中的“综合技能”项目非常强调两个人的配合，“综合技能”项目不仅是软件自身的编程功能比较，还是参赛者硬件搭建能力竞技。机器人的硬件搭建是基础，软件调控是上层建筑，缺一不可。比赛开始后，学生要在半小时内完成一两百个零件、螺丝以及线缆的正确安装，如果搭建太慢，則编程的同学没有时间调试。所以，负责编程的同学在比赛前期要配合搭建的同学一起搭建。搭建结束后，编程的同学专心编程和调试，搭建的同学要负责检修机器人，保证机器人一直处在最优状态。如果队员配合不当，负责搭建的同学没把机器人安装好，负责编程的同学调试一直出问题，又找不到问题所在，那么会严重影响这个比赛的进程。

三、夯实基础，成功一步

“综合技能”项目已经是机器人竞赛中的一个常规项目，每年的竞赛场地都没有太大的变化，变化的是场地上的任务以及道具。因为场地固定，所以“综合技能”中最重要的“技能”是机器人走线。任务分布在比赛场地的各个拼装块中，如果机器人走线无法走到任务所在拼装块，自然无法完成任务。

要完成机器人走线的任务，必须从单个拼装块的图形走起。十字拼装块相对比较容易，但过程中很少会遇到。难度在于24块异形拼装块（见图1），这些拼装块有简单的也有难的，单个图形要走过去，相对不难。但是在拼装块连接起来后，就产生了很多变化，需要做临时调整。所以，训练的时候，必须先从十字拼装块开始，然后是单个的异形拼装块，最后十字拼装块和异形拼装块混合训练。如果机器人走线基础没打好，就无法进行下一步的训练。

四、精研任务，逐个击破

本次“嫦娥奔月”共12个任务。分别是：释放月球车、回望拍照、采集月岩、月面搜索、定点观测、清除月面障碍、树立标志、回收设备、月面摄影、休眠与唤醒、检修月球车、返回。在执行这些任务的过程中，必须认真研究规则，针对规则对机器人进行软硬件的修改。

例如：这12个任务中，其中“回望拍照”任务，规则规定“4.2.2正确回望的标准是机器人在规定的分区内静止5秒钟以上且激光器的光斑必须落在锥台上300mm×300mm正方形区域，拍照的标准是LED灯闪动两次。”中鸣厂家的出厂设计并不是很好，最初的设计如图3，缺陷在于激光器只有2个自由度，也就是说这个激光器的角度，只能在两个维度上转动，而赛题千变万化，这就限制参赛队员的路线设计。所以，经过思考，将其改装成图4的样子。图4中，除了激光器外，还有3个自由度，能够保证激光器全方位的转动，即无论机器人运行到哪个位置，激光器都能360度无死角地调整到照射待命区锥台上。

在训练过程中，要对每个任务进行逐一分析，不断修改机器人的软硬件搭配，让机器人在任何位置都能保质保量地完成竞赛的每一个任务。

五、任务分析，纵览全局

在比赛规则出来之后，要对所有任务进行整体分析，区分在12个任务中哪些任务属于简单任务，哪些属于普通任务，哪些属于困难任务。评判的标准为：

简单任务：机器人到达指定地点，不需要做额外的动作即算完成任务，如释放月球车（机器人到达某一十字拼装块的某一分区）；返回（机器人回到待命区）；月面搜索（机器人经过异形拼装块）；休眠与唤醒（机器人到达指定位置后旋转）。

普通任务：机器人到达指定地点后，仅需做简单动作，无须自主判断选择。如：回望拍照（机器人到达指定地点后，闪烁LED以及打开激光器）；定点观测（机器人到达地点后放下设备模型）；月面清障（机器人移开500克的可乐罐）；树立标志（机器人翻起一个长方体木块）；月面摄影（机器人到达指定地点后向四个方向旋转并停顿）。

困难任务：机器人到达指定地点后，需要做比较复杂的动作或者需要机器人自主判断后做出动作的任务，以及和别的任务相关联的任务。如：采集月岩（要自主判断颜色以及筛选回收色块）；回收设备（机器人收回定点观测释放的设备）；

当然，任务能简单进行归类，但任务的难易程度也随着任务所在位置和摆放方向而改变，如树立标志任务，如果标志放在比较边角的位置，这个任务就变成了难的任务。再如，回收设备任务，如果设备被放在比较靠近墙角的位置，机器人要完成这个任务也变得困难。所以首先要做简单分析，初步把握所有任务的难易，在竞赛中，按照任务难易进行机器人的路线设计，这样站在战略高度考虑问题，便可获得高分。

六、竞赛策略，决胜法宝

机器人竞赛，也需讲究策略。策略选择正确，则比赛简单容易，否则一路荆棘，举步维艰。竞赛考验的不仅是选手的专业知识，还有选手的应变以及决策思维。如规则7.3指出如果完成了规定的所有任务且结束比赛使用的时间不超过150秒，额外加记时间分，时间分计算方式为150减去结束比赛实际所用秒数；7.4也指出如果在比赛中没有重试，机器人动作流畅，一气呵成，加记流畅奖励50分。这两个规则中，7.3规定了机器人完成所有任务，可以加上时间分，7.4还可以有“一气呵成”50分。要做到7.3已经不容易，要做到7.4更不容易。但巅峰对决，往往就是在此处拉开差距。所以，在学生训练的时候，要按照任务的多少来规划路线，任务多则考虑完成第一条即可，因为如果要完成第二条路线太绕，时间也不够，则成功率也不高。要完成第二条，必须在任务不太多的情况下去完成。比赛时学生需要保持清醒的头脑，首先判断任务的难易，规划出不容易失误的路线，舍去某些容易失误的任务，保证绝大多数任务能够完成，才能在比赛中获得高分赢得胜利。

青少年机器人竞赛是科技教育很好的一个载体，通过竞赛不仅能让学生接触到看似遥不可及的科学知识，培养他们的科学素养，还可以训练学生关注细节、纵览全局的意识。参加机器人竞赛，可以锻炼学生的综合能力，极大的提高学生对科技教育的认知，培养学生的科研素质。

责任编辑 陈 晨