姜玲 科学 期初论文

让思维沸腾起来，让智慧行动起来

                ——机器人竞赛的创意设计与实践

南京师范大学附属小学   姜玲

 

内容摘要：

机器人比赛的宗旨是唤醒青少年课外科技活动的兴趣和热情，培养学生的科学创新精神，激发思维的想象力，鼓励理论与实践的结合，机器人比赛寓教于赛，寓教于乐，实现了媒体与科技，科技与体育的珠联璧合。本文结合科技星光项目和工作室近几年参加江苏省机器人比赛的准备及参赛中发现的各种问题，整理和归纳创意设计和创新实践时可能需要的知识和技能。希望对今后的机器人活动有一定的帮助。

主题词： 机器人  创意设计  实践

正文：

一、学生创造能力的分析

北京师范大学心理系专家曾对中国和英国青少年的创造能力进行了一项比较调查。调查比较7个方面：创造性物体应用能力、创行性产品改进能力、创造性想象能力、创造性问题解决能力、创造性实验设计能力、创造性产品技术制作能力。中国学生除了创造性问题解决能力（即通常所指的解题能力），较英国学生强外，其余指标均低。尤其缺乏解决问题的实践经验，原因在两大方面：人格因素和环境因素。中国历史上，儒家学说倡导“中庸之道”，不主张锋芒毕露，卓尔不群。受此影响，中国青少年在创造性人格自评、创造力自评方面往往较西方国家低。从环境看，发达国家在家庭、学校、社区等几个方面对青少年科技创新的教育水平总体上好于中国。中国家庭不大鼓励怀疑、冒险、探索、创新；学校教育也是围绕应试教育，答案以确定性为准，不重视素质教育；社区则由于人力和财力所限，很难为青少年提供科技、环境、语言、音乐活动等条件。

为了改变这种状态，首先需要在学校里改变教师观念的问题。在学生中开展创造性品质的培养；其次要将创造力的培养渗透到日常教学的各个环节中去，而非单靠个别环节或单个学校的科技节来解决问题。机器人比赛是一种非常适合青少年创新思维教育的题材和载体。同学们在进行机器人设计时可以从书本知识、日常家庭生活、体育比赛、社会生活、游戏、科学幻想电影以及前人的创作事例等等中获得创作灵感。

二、开发过程

参加比赛的机器人的创意、设计过程与任何一件新产品研发一样，需要按照一定的步骤循序渐进。这个工作流程如图（1-1）所示。

 （一）创意与提案

对于一个参赛作品来说，创新意识整体战略战术构思十分关键的环节，克敌制胜往往靠出奇兵怪招。因此，创意与提案以及随后的可行性论证，是整个机器人设计、制作和实践过程中智慧的闪光点。相反，如果在这个阶段创意欠佳或判断失误，那么后续环节做得再好也无济于事。创意与提案大致遵循图1-2的工作流程。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

创意与提案最重要的事情是解放思想，激发创造性热情，充分发挥集体的智慧，设计的灵感往往来自于一个念头的闪现，一个方案往往只有在队员们的相互启发和补充，沐浴集体智慧的阳光雨露之后，方能成熟和完善。尤其像FLL这样的团体比赛项目。参赛队员必须掌握相互激发创造力的交谈和原则，学会尊重和团结对方，既充分阐述自己的观点，又善于倾听他人的意见，给对方留有施展才华的空间，使每一位队员都感受到置身于集体中的价值，树立信心。

但是，在可行性论证之后，一般只有一个结果胜出，顶多两个方案（演练时可以组成敌我双方两支比赛队伍）。因此，在可行性的分析论证需要从诸多方面，如技术、性能价值、时间周期、规则的约束条件、攻击与防守能力、人力资源（人数、知识水平和动手能力）等逐个剔除不合理，或暂时做不到的方案。讨论的态度很重要，尺度要掌握得当，绝不能固执己见，搞一言堂；但也不能守中庸之道，照顾面子。要善于以平等，客观的心态评判自己的见解和他人的意见，站在自己和对方的立场上反复考核方案的可行性，如果需要，时间、技术允许，可以借助模型或仿真来论证预想的战略政策是否可行。

经过反复讨论选定一个最可行的方案（也可以留有备用方案）后，即进入初步设计

如何评价一个方案是否具有创意呢？一般可以从以下几个方面衡量：

l 广阔的思想空间，丰富的想象力

l 独具匠心的系统构思

l 正确理解和巧妙利用规则到极至

l 独树一帜的布局和造型

l 结构设计（包括机构、工艺、材料等方面）的奇思妙想，元器件功能独辟蹊径的运用

在比赛机器人创意与制作的过程中应当注意克服一种倾向，就是好高骛远，轻视制作。在开始的时候往往有宏伟的计划，有过多的不切实际的想法，结果在制作中才发现将设计理想变成真实作品并不是一件容易的事情，不得不丢失很多原始的创意。

（二）设计阶段

初步设计阶段的任务是将前一阶段中有关机器人的创意与方案具体化。以草图、系统原理图、初步设计计算以及关键部位局部详细图等形式表达出来，初步核对机器人是否满足各种性能指标，达到设计的初衷。

1、  初步设计

初步设计的内容如图2-3所示：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、  具体设计

完成图1-3中的7项内容的过程，实际上就是将大脑中的抽象构思具体化，形象化的过程。为下一步的具体设计阶段做好准备。

（1）功能

更具比赛项目规则的不同，要求的不同，如机器人足球比赛要求机器人能防守及进攻，灭火比赛要求机器人具有灭火，营救，回家等功能，因此对机器人的功能要求也各异。根据比赛的目标任务，每一年都需要重新斟酌机器人的系统方案和它应满足的功能，功能过于复杂或过剩，开销就会很大，且造成研制上的诸多困难，显然不可取；功能不完备，指标不高，战斗力不强，同样不可取，初步设计的后续内容，在很大程度上需要随功能的改变而作调整。所以一开始对机器人功能的定义是非常重要的。

（2）结构

比赛任务不同，机器人所需执行的动作也不同，比如有提升、抓取、夹持、投射、收集、分拣、行走（前进、后退、转弯）等等。相对应的，完成指定功能的执行机构的形式往往是多样化的，如直线往复、摆动、旋转、伸缩、符合运动、曲柄运动机构等等，选择何种机构形式的原则是：简单、廉价、可靠。有些特殊的结构市面上还买不到，得自己设计，制作。在设计的时候应该注意这些问题。

我们使用的乐高机器人部件。乐高积木块结构可以搭建各种各样的机械结构，为我们搭建机器人提供了很大的便利。结构的原则是：科学、牢固、稳定、灵活

（3）尺寸

 比赛机器人对三维尺度和重量一般都有严格的要求。在初步设计阶段当决定机器人的主要尺寸。一般要考虑三类主要尺寸：

①功能尺寸，即满足功能所必需的尺寸。例如fll比赛中对机器人的要求是：任何部位不能超过基地。 

②关联尺寸。

③其他尺寸，即在完成目标任务前提下，由设计者自行选择的尺寸，例如：车架的具体结构尺、零件尺寸、车轮车距、电气安装尺寸、电池容量尺寸。

机器人参加比赛前要进行质量称量，超过规则规定的质量范围将不能参加比赛。因此，队员们在初步设计时要对各系统得质量做一个大致的预分配，而在详细设计时严格掌握每个零部件的质量；否则总安装时会花费很多的时间和精力去减重，代价太大。同时机器人太重对性能的影响也会很大，所以对于尺寸的原则是：在完成功能的基础上灵活。

（4）动力传动系统

动力传动系统是电机和负载之间连接的桥梁，常见的是通过齿轮传动，通过调整齿轮比达到不同的效果。问题是需要熟悉他们的特点，做到扬长避短。

（5）动特性

动特性对机器人运动的影响比较复杂，因此不如静特性那样直观，没有经验的同学往往无从下手。初步设计中可以从加减速的性能和震动两方面加以考察。改变系统运动相应的速度，无外乎从质量、力矩两方面着手。提高动特性的一个重要内容是电子转子转动惯量与系统负载惯量的比值应维持在适当的范围内。负载惯量小，系统的动特性就好。措施是采用轻质材料，缩小构建尺寸。从保持刚度的角度看，最好是改变零件的几何形状，这样既减小了转动惯量，又保持了零件的刚度。

在具体制作的时候，我们发现机器人在转弯的时候最容易受动特性的影响。如果结构较重，动力传递结构间磨擦力比较大，会影响机器人的运行效果，无法准确地完成任务。

（6）马达的选择

不同的马达，性能和作用大不相同。要根据设计时的性能要求选择合适的马达。而且最好选择同速马达。

（7）传感器的使用

机器人在行走过程中，需要不断地了解两类信息：环境信息和机器人自身各个部分之间的相互关联的信息。环境信息指机器人在赛场上的位置以及与其他物体（如场地边界、球篮、对方机器人、火源……）之间的状况（位置、冲撞、力），所有的这些信息都需要传感器采集。机器人的“大脑”---RCX把这些信息作为控制机器人的运动和行为的依据。在机器人创意和设计初步阶段就应当贯彻机电一体化的设计思想，即将机械和控制统一考虑的设计概念，这样才能将机器人的功能发挥到极致。

选择传感器的种类、安装位置，确定机械、电机的时序关系以及控制方法是初步设计的内容之一。

（8）供电电源

机器人比赛一般均要求直流电源，有的项目对电压也有严格的限制。不过足球比赛中，对电压没有限制，但是要考虑马达所能承受的范围。

（9）程序设计

机器人结构搭建好后，需要通过电脑编程来给它安装上大脑，通过程序来执行各个任务及操作。乐高公司提供的roblab编程语言是一种适合中学生的图形化编程语言。在编程基础较弱的情况下也能很快灵活使用。只要设计出程序流程图，就能将程序编写出来。

3、设计计划书

要求学生以书面的形式将设计最基本的要求规定下来作为详细设计的主要依据，这就是设计计划书。可以参考以下内容撰写设计计划书。

（1）比赛的主题和设计的目的

（2）性能规格，如NXT的数量，机器人的运动速度，如何定位

（3）确定初步设计9项内容的具体要求，提倡用草图的形式描述出来

（4）文字解释

（5）机器人完成的过程，程序实现过程

（三）具体制作

依据初步设计阶段的设想，将机器人按照预计规格搭建出来，准备其它零件。在这个过程中需要根据实际情况调整，修改。注意：牢固性、轻便性、灵活性。可借助遥控器，测试其器人的灵活情况。

（四）调试与演练阶段

演练相当于剧目的彩排。演练是比赛的前奏。为了使机器人在比赛中表现得尽善尽美，需要在事前掌握机器人运行的真实情况，制定在比赛现场的应对方法。因此演练是整个赛事中一个重要的环节。

参加过比赛的同学都有这样的经验：本来调试得好好的机器人，在真正比赛时，出现各种问题。竞赛场上的氛围不同于在家调试，不但硝烟四起，火药味十足，而且节奏快，没有喘息调整的机会，遇到设备故障往往功亏一篑。本届的初中组fll比赛就发生这样得事情。因此，越是临近赛期，越是需要周到和有针对性地进行临战准备，常言道“临阵磨枪，不快也光”。许多学校在最后都会对选手进行强化训练，临阵准备包括三个方面：技术准备、心理准备和物质准备。

1、 技术准备：

（1）确定上场人员

规则规定上场队员最多4名，他们应该是最熟悉机器人结构原理、调整和驾驭最熟练、心理状态最佳的学生，这样才能在赛场上将机器人的性能发挥到极致。

（2）熟悉规则

在赛前方案定制阶段，队员们对规则的兴趣往往在用好规则、激发创意上；在研发阶段，队员们的精力集中在设备的调试和完善性能上，规则往往被抛置脑后。临战前必须重新熟悉一下犯规和减分规则。这些规则对选手在场上的行为规范设置了约束，对机器人在赛场上的活动范围和表现设定了限制，必须牢记，知道在赛场上该干什么不该干什么。

（3）研读比赛赛程和赛制

进入比赛后赛事的进程会非常紧凑，要准确地掌握比赛秩序，例如何时报到注册、何时调试场地、何时称量机器人的重量、何时出场等等。在分组抽签落定后，组委会会公布各场的出场次序，各个参赛队要提前做好准备，按时出场作战。

（4）参赛选手临场任务安排

按照比赛规则，机器人一旦置于出发区域内，便仅剩1分钟的调试准备时间。在这段时间内为了将机器人预置到初始状态还有不少事情要做。如果不将参赛的两名队员的任务和动作明确分工并固定化，难免临阵荒乱，发生低级错误。必须将机器人在调试时间内的操作按任务的类型和时间顺序一一分解，落实到每位选手，将选手在场上的任务和动作排成套路，做到固定化、规范化。好的任务编排应当考虑选手的特点，科学分配。

（5）反复演练

任务安排好后，选手需要按照套路反复练习才能达到熟能生巧。4位上场选手应当在演练的过程中，针对可能突然发生的各类问题涉及应对的措施，达到默契的程度。演练的时候应当有意识地注意规则和战术的运用。所谓平时和战时结合指演练应当真刀真枪，一丝不苟，尽量模拟比赛的条件

2、心理准备

赛前应当把困难设想的充分一点，把不利因素想得周到一点，把应对措施考虑得全面一点。“知己知彼，百战不殆”。有了足够的心理准备就能够在赛场上从容应对、遇变不惊，正常发挥平时训练的水平。

3、物质准备

从各个地区汇集到比赛现场，比赛机器人往往是长途征战。因为赛程非常紧张的关系，机器人运动比赛场地还需要立即重新搭建并投入运转，难以得到可靠的后勤支援。因此，在机器人离校之前应当对到达赛场后可能遇到的各种困难做充分的估计，准备好足够的电池备份、备用电子元件、控制板卡、易损坏零件等，在到达赛场后争分夺秒，尽快恢复正常运转状态，随时准备出场。

（五） 实战，命运掌握在自己手中

“养兵千日，用兵一时”，能否稳操胜卷，仰仗团队在比赛现场的最后一幕，在赛场上应注意以下几点：

1、 珍惜现场演练机会

  根据比赛规则，比赛前会有半个小时的调试时间。20多个参赛队平均下来，每个队在比赛现场调试的机会自然就很短了。一般只有3-4次，每次1分钟左右。应当充分利用这个机会，事前进行分工，各司其职，迅速调定每个参数，把机器人的状态调到最佳。

2、 合理配置人力

3、 不轻言放弃

赛场上的情况瞬息万变，胜败难以预料。取胜固然可喜，落败也不要气馁，胜利往往在再坚持一下的努力中。因此胜利既是对技术的考验也是对意志品质的锻炼。

4、 灵活机动

 比赛过程中，常常会出现一些意外情况，例如fll工程比赛中，中途某一任务没有完成，或没有完成到位，这时候需要选手判断是再做一次，还是放弃此项任务得分以争取时间。因此比赛还是对临场反映能力，应变能力的考验。一方面需要选手保持镇静，还要做到灵活机动。

5、 应对恶性竞争

比赛过程中既要谨防对方的冲撞，影响，或其他恶性行为，也要避免己方机器人做出犯规行为。一方面触犯了比赛规则，另一方面也有违比赛的道德。

6、 发挥指导老师的作用

指导老师虽不可上场，却是学生的精神依托，是后盾。指导老师要运筹帷幄，当机立断，指挥若定，发挥大将风度。

三、         输赢落定，学无止境

颁奖仪式意味着比赛的结束，胜负也各有归属。这之后，机器人将被一一带回。作为一项赛事活动暂时划上一个休止符，但是它会留给学生很多的思考：什么是成功？什么是成功的标志？为谁而成功？如何造就成功？每个参赛队员都需要认真地做一个赛后总结，回顾一下，是否达到了比赛的初衷：开拓创造力，发挥想象力，锻炼实际动手能力。在参赛的收获方面至少应当有以下几条：

（一）重在参与

从机器人大赛的初衷来说，重要的不是输赢，而是要在中小学生中营造一个创新、探索、求知、实践、争先的氛围。冠军固然可喜，但是冠军只有一个，众多的代表队和选手只要付出艰辛，奋力拼搏就虽败犹荣。大赛使机器人研究从大学和研究所走向社会，为学生提供了一个学习的机会，一个展现才华的舞台。在这个舞台上，名校和普通学校面临的机会和挑战是平等的。只要以平常的心态参与活动，付出努力都是成功者。

（二）享受过程

学会在工作中与他人协作、团结、向伙伴学习。在合作中分享友谊、智慧与成功。像享受足球那样享受创作的过程，挖掘自己所蕴藏的创造活力，感受成功带来的愉悦。

既然机器人的创新设计和制作是一种探索，是摆酒可能也是不可避免的。特别是在设计与制作的过程中免不了反复品尝挫折和煎熬。这些都是十分正常德，是一位科学家成长过程中必然经受的历练。“失败乃成功之母”，选手们同样应当坦然地对待它，视之为财富。

（三）希望在未来

机器人大赛是一个公认的在学生中进行科学普及、素质教育、理论与实践结合的主题。为了使大赛持续发展下去，成为一项学校经常性的课外科技活动，需要建立一个好的机制。继续在骨干教师培养，组织建设、技术积累、经费保证、场地建设等方面积累好的经验和做法。例如，开设机器人创新教育课程。“铁打的营盘，流水的兵”，荣誉很快会成为历史，学生年复一年地更迭，只要有了持续发展的基础，学校就能源源不断地将优秀的发明家、设计时、工程师输送给社会。

（四）学无止境

  机器人大赛比的是创造性、速度和智慧。我们面临的任务像攀登珠穆朗玛峰那样，永远是向更快、更强、更高挑战发展。向新的高度挑战、向自我挑战，这个过程是永无止境的。

 

 

参考文献：

《机器人探索——工程实践指南 》  电子工业出版社     [美]Fred  G..Martin著

《乐高组件和ROBOLAB^TM软件在工程学中的应用》 ERICL.WANG 编写  西觅亚公司内部资料