國際奧林匹克機械人解構(gòu)

 國際奧林匹克機械人解構(gòu)

國 際奧林匹克機械人大賽(WORLD ROBOT OLYMPIAD) 是一項國際性的科技及教育活動，藉由美國麻省理工學院研發(fā)并由「國際奧林匹克機械人委員會」（WRO, World Robot Olympiad Committee）及丹麥樂高公司教育事業(yè)部（LEGO Educational Division）合辦的國際性機械人比賽。目的是借著計算機信息及科學原理之融合運用，啟發(fā)參賽者之科技運用及創(chuàng)意，并以機械人設(shè)計之競賽活動，達到推動 創(chuàng)意科學教育之目的。通過一年一度的國際奧林匹克機械人競賽活動，為國際青少年機械人競賽提供共同的學習平臺，促進國際性的機械人教育。

比 賽可分為競賽和創(chuàng)意賽項目，且賽事分為小學組(12歲以下)、初中組(13-15歲)、高中組(16-18歲)及大學組(18歲以上)。而競賽項目的內(nèi)容 每年都可能改變，目的是增加比賽的挑戰(zhàn)性和多樣化，讓參賽者從中認識更多技術(shù)。以下就為大家解構(gòu)今年國際奧林匹克機械人大賽的競賽項目。

競賽項目

大 會規(guī)定參賽隊伍組裝的機械人須為Legor組件及其控制器為RCX或NXT。此外，不得對LEGOR原裝零件進行任何修改（例如：RCX、NXT、馬達、 傳感器等），亦不可使用螺絲、黏著劑或膠帶等物品來固定零件?？刂瞥绦虮仨氁?/span>Robolab或Legor Mindstorms TM Edu NXT編輯。機械人最大伸展尺寸其長、寬、高均不可超過 250mm。需為自主式機械人，能獨力完成大會之指定動作。

選 手于比賽中使用的零組件不容許有成品、半成品、疑似機構(gòu)之對象、使用之說明書、機械人組裝步驟或圖片、賽前寫好的程序、已設(shè)定控制程序的機械人控制器或是 可能影響比賽公平進行之物品。規(guī)定隊伍于時限60分鐘內(nèi)即場組裝機械人、撰寫控制程序，并可在比賽場地進行測試。組裝時間結(jié)束時，通過裁判對機械人的組裝 審核后方可比賽。

該項安排明顯是要考驗選手的應變能力及時間分配，并要求選手憑經(jīng)驗和以往所學即場應用出來。筆者建議選手先冷靜分析場地設(shè)置，然后運用以往所學搭建的適當機械人。編程和搭建技巧要純熟，所以平時要有一定的操練。時間分配得宜以增加場地測試時間。

由 于比賽有一定難度，大會也不想太為難選手，讓表演較差或一時失手的隊伍有多一次翻身機會。因此，每輪比賽均有二回合，成績并取其較佳的一次。首回合結(jié)束 后，有10分鐘時間修整機械人(包括程序、更換零件等)，然后再迎戰(zhàn)第二回。如賽果出現(xiàn)兩隊最佳成績相同，以次佳成績較佳隊伍排名在前。若兩回合成績均相 同，則重量較輕的機械人排名在前。

參賽隊伍必須同時參加大會指定的兩個單項比賽。每個單項比賽比二回合取最好的成績來計算，總成績以兩個單項比賽最好的成績相加作為排名。小學組、初中組、高中組每個組別須參加的兩個競賽項目。

小學組：「機械人軌跡賽」及「機械人越野障礙賽」

初中組：「步行機械人越野障礙賽」及「阿里山小火車競速賽」

高中組：「機械人分類賽」及「機械人阿里山搬運賽」

機械人軌跡賽

參賽機械人須要由起點區(qū)出發(fā)，沿著指定路線，抵達終點區(qū)。

比賽場地由32塊285mm x 285mm白色底及黑色軌跡線的方塊組成并為成8 x 4矩陣。場地左側(cè)(或右側(cè))放置一塊60mm x 1140mm 的黑色底板。墻面高90mm、內(nèi)側(cè)為黑色。

比賽的軌跡線是由下列特定方塊組成，包括直角、圓弧、十字、直線、斜線、端點(用于起點區(qū)與終點區(qū))。軌跡線為寬18mm黑膠布。

任務及計分

每回合時限1分鐘，機械人必須從起點區(qū)沿指定路線，抵達終點區(qū)并使終點定時器停止，才完成任務。若機械人的投影完全離開黑色軌跡線，或經(jīng)十字路段時未依裁判團作規(guī)定動作，均被判定為「機械人未完成比賽」，且該回合立即被終止，并由裁判計終止前所獲算分數(shù)。

機械人依順序且機身完全通過一個路段方塊可取10分(不包括起點區(qū)與終點區(qū))。比賽的成績?yōu)槿蝿盏梅峙c時間得分相加。機械人每成功通一個路段單段，可獲10分。時間得分為60減去完成整個路段所需時間。

雖然只是短短一分鐘，但比賽難度未必是大家想中困難。因為軌跡線是由特定方塊所組合而成，使路段變化少，且路段沒有障礙物和斷線。它不竟是小學組的賽事呢！平日選手有一定的練習，機械人的程序和搭建應不成問題。所以能夠完成賽事的隊伍也不少，這樣時間得分就成了致勝關(guān)建。

機械人越野障礙賽

這個項目在小學組和初中組均有出現(xiàn)，而兩者的比賽型式和場地布置亦極為相似。所有筆者以下會一并介紹。
筆者首次了解比賽場地，可能和大家有個同樣擬問，為何初中組的賽場會比小學組的還要容易呢? 原來小學組能夠以輪式機械人比賽，初中組的就得使用步行式機械人。

場地布置

1) 場地尺寸為長2340mm × 寬1140mm、白色底；墻面高90mm、內(nèi)側(cè)為黑色。 
2) 起始區(qū)及終點區(qū)長400mm x 寬360mm。
3) 轉(zhuǎn)折區(qū)長400mm x 寬750mm。
4) 跑道區(qū)內(nèi)分為十二個路段，每段長385mm x 寬360mm，其上可能設(shè)有隧道、草地、碎石、故障車輛、橋梁等路段。設(shè)置順序與數(shù)量于選手組裝開始前，由裁判團宣布。橋梁和終點區(qū)的氣球只出現(xiàn)于小學組。

任務及計分

小學組---比賽時限1分鐘。機械人由起點區(qū)出發(fā)，通過各式障礙物，抵達終點區(qū)，并刺破汽球。
初中組---比賽時限2分鐘。機械人需以「腿」移動，由起點區(qū)出發(fā)，通過各式障礙物，抵達終點區(qū)。機械人必須模擬動物腿部的運動方式，不能像輪子一般的轉(zhuǎn) 動。每條腿都必須以動力驅(qū)動，不可僅作為支撐用。組裝時間結(jié)束，裁判團將進行器材審核，并執(zhí)行「腳」的組裝認定，不合格者取消該隊該回合參賽資格。

計 分方式同樣為任務得分與時間得分相加。機械人每成功通一個路段單段，可獲20分，最多為240分(共十二個路段)。當然重復通過的路段，或是未依序通過路 段，于該路段是不獲得分。時間得分為時限(秒)減去完成整個路段所需時間(秒)。于小學組中，機械人在時限內(nèi)抵達終點區(qū)，并刺破汽球，可額外加30分。若 機械人進入終點區(qū)，但未有刺破汽球，則未獲得本積分，但不影響時間得分與任務得分。額外加分初中組所沒有的。

比賽小技巧

場地的間隔可看成一個簡單的迷宮，我們可根據(jù)場地障礙物布置選擇迷宮法左手法則或右手法則，讓機械人靠著墻走。使用左手法則將傳感器安裝于機械人左側(cè)；右手法則將傳感器安裝于機械人右側(cè)。若機械人搭建得宜最終應可到達終點區(qū)。

如果使用紅外線光感來判斷機械人與墻壁距離需要留意。因為比賽場地內(nèi)側(cè)為黑色，這會給收紅外線，影響傳感器探測的表現(xiàn)。所以使用碰撞傳感器是較有效做法。

賽場部分路段有黑線，這可視為對機械人的引導，讓機械人可透過對地光感修正軌跡。對小學組而言，這非常有用。因為可避免機械人的輪子卡進斜坡凹構(gòu)，亦有助機械人刺破終點區(qū)的汽球。由于需要應付碎石和橋梁路段，搭建時輪子、底盤、傳感器離地距均不宜太小。

至于初中組的同學就得了解連桿機構(gòu)及其搭建技巧，所以賽前要有足夠準備，實質(zhì)的測試是必要的。這樣才可搭建出走得又快又穩(wěn)的步行式機械人。當中4足或6足的應是大家首選，因為平衡較易掌握，對地形適應力強，走起來又不會笨重。

阿里山小火車競速賽

機械人模擬阿里山小火車的特色「阿里山碰壁」，由起始區(qū)出發(fā)，進入各轉(zhuǎn)折區(qū)，抵達終點區(qū)。

比賽場地尺寸為長2340mm × 寬1140mm × 高750mm白色底。

起點區(qū)及終點區(qū)長500mm × 寬380mm，于路段的前端與末端，均設(shè)有寬50mm的黑線。

轉(zhuǎn)折區(qū)長500mm × 寬760mm，內(nèi)設(shè)有Y字形軌道線，軌道線寬18mm黑色，末端設(shè)有寬50mm的黑線

跑道中間設(shè)有黑色軌道線，軌道線寬18mm黑色。

任務及計分

比賽每回合2分鐘。機械人從起點區(qū)出發(fā)，進入轉(zhuǎn)折區(qū)須模擬阿里山小火車的特色「阿里山碰壁」以「車頭進、車尾出」。
機械人必須沿著軌道線，通過各路段，抵達并停在終點區(qū)內(nèi)。 
機械人的投影完全離開軌道線，則為「機械人出軌」。會被視為無法完成比賽。 
若經(jīng)裁判判定機械人未完成比賽、判定已無法完成比賽或該回合時間已到，則該回合比賽結(jié)束，選手應立刻停止機械人，并由裁判計算分數(shù)。

計 分方式同樣為任務得分與時間得分相加。1)機械人每通過一個轉(zhuǎn)折區(qū)取40分：機械人必須依順序、依本大會指定路徑且機身完全通過一個轉(zhuǎn)折區(qū)，機械人于轉(zhuǎn)折 區(qū)中央黑線部份需模擬「阿里山碰壁」以「車頭進、車尾出」方式移動，并且機械人上投影需接觸轉(zhuǎn)折區(qū)末端黑線始能得分。當機械人在搬運區(qū)時，就不需接觸搬運 區(qū)末端黑線。本項總分為80分(共有2個轉(zhuǎn)折區(qū))。
2)機械人機身完全進入終點區(qū)內(nèi)，并且機身靜止于終點區(qū)內(nèi)5秒鐘以上，可獲加80分。時間得分為120減去完成整個路段所需時間(秒)。

機械人阿里山搬運賽

機械人從起始區(qū)出發(fā)，進入各轉(zhuǎn)折區(qū)，抵達搬運區(qū)，搬取負載物，再回到起始區(qū)

場地布置與初中組的阿里山小火車競速賽是一樣的，分別在于最頂?shù)恼鄯祬^(qū)中央放置了一負載物為鋁罐(355ml鋁罐，未開封)。

任務及計分

比賽要求與阿里山小火車競速賽相似。比賽每回合為2分鐘。從起始區(qū)出發(fā)，沿著軌道線，通過各路段，進入各轉(zhuǎn)折區(qū)，抵達折返區(qū)，搬取負載物，再回到起始區(qū)。機械人回到起始區(qū)后，須停在起始區(qū)內(nèi)。

1)機械人每通過一個轉(zhuǎn)折區(qū)取40分：內(nèi)容與阿里山小火車競速賽要求相同，只是本項總分為160分(上山和下山各2個轉(zhuǎn)折區(qū))。
2)機械人取得負載物取40分：機械人需使負載物隨機械人連動并移出折返區(qū)，才算任務完成。若機械人的機身完全進入折返區(qū)，但未能造成負載物任何移動，即向回程方向移動，回程之任務積分不受此影響。
3)機械人搬運負載物抵達終點取40分：機械人需搬運負載物抵達起點，且機身和負載物的上投影皆在起點區(qū)內(nèi)。
4)機械人靜止于終點取40分：機械人機身完全進入終點區(qū)內(nèi)，并且機身靜止于起點區(qū)內(nèi)5秒鐘以上
5)時間得分為120減去完成整個路段所需時間(秒)。

比賽小技巧

參加阿里山小火車競速賽或機械人阿里山搬運賽的隊伍，其機械人都要沿斜坡而上，故此機械人扭力和輪胎摩擦力必須足夠，車子才不會在斜坡上打滑。

機 械人要順利通過仆每個轉(zhuǎn)折區(qū)，確實需要一定技巧。因為機械人需模擬「阿里山碰壁」以「車頭進、車尾出」，這樣機械人部份時間就要倒車上坡，于高中組更要負 載鋁罐倒車下坡。同時于轉(zhuǎn)折區(qū)選擇適當?shù)姆种范我喑闪藗€問題。運用兩至三個紅外線對地光感是相信是必言的，而且更可能需要于程序中設(shè)定機械人向左轉(zhuǎn)或右 轉(zhuǎn)的時機。

高中組的隊伍，如要在搬運鋁罐的任務中取得分數(shù)就得最少使用三個馬達(兩 個負責行走，一個負責鉗臂)。要將355ml鋁罐鉗住并運返起點，鉗臂的設(shè)計要有足夠力量固定鋁罐。在搭建時需要考慮機械人于負載鋁罐前后的落坡和上坡表 演。這步驟要做得好，最低限度也要搭建一條標準斜度的斜坡來測驗。下坡時，馬達轉(zhuǎn)速不宜太高，否則機械人可能翻倒或使鋁罐飛脫。

機械人分類賽

在回合時間內(nèi)，機械人由起點區(qū)出發(fā)至堆放區(qū)，將放在堆放區(qū)的各式回收物，移放至分類區(qū)的指定位置

比賽場地尺寸為長2340mm ×寬1140mm白色底，外框墻高90mm內(nèi)側(cè)為黑色，導航線寬18mm黑色。 
起始區(qū)長寬均為400mm，含黑色框線寬18mm。 
堆放區(qū)長400mm x寬800mm，內(nèi)放置數(shù)個回收物。 
分類區(qū)長寬均為300mm，共有三個分類區(qū)。

回收物之類型如下：

回收物于分類區(qū)的堆放位置、種類與數(shù)量，于參賽選手組裝開始前，由裁判團宣布，且前列之單元種類不一定會全部使用。

任務及計分

每回合為2分鐘，機械人由起點區(qū)出發(fā)至堆放區(qū)，將放在堆放區(qū)的各式對象，移放至分類區(qū)的指定位置。除非參賽隊伍觸碰機械人，否則機械人出發(fā)后不需再返回起點區(qū)。
機械人位于起點區(qū)內(nèi)時，不得以延伸或栓繩等方式對比賽場地進行任何動作。于賽事進行中，每當選手觸碰機械人，選手須立刻將機械人拿回起跑區(qū)。隊伍之后可進 行準備動作，并于起點區(qū)再次出發(fā)。同時裁判會扣除一個場上的回收物。扣除的順序為尚在堆放區(qū)的回收物、離開堆放區(qū)的回收物、在分類區(qū)的回收物。直至扣完為 止。

該項比賽只設(shè)任務得分，于回合結(jié)束后，裁判會以比賽場地中回收物的位置計分。每個回收物完全離開堆放區(qū)可得10分；若回收物被放置到裁判指定的位置，每個可得30分。
假設(shè)共有9個回收物，機械人于回合時間內(nèi)，將4個回收物送至裁判指定的位置。當機械人移動第5個回收物離開堆放區(qū)后，選手觸碰機械人。裁判依規(guī)則扣除一個 尚在堆放區(qū)的回收物，且要求選手將機械人拿回起跑區(qū)，重新出發(fā)?；睾辖Y(jié)束時，機械人未能趕及將第6個回收物搬到裁判指定位置，只是移出了堆放區(qū)。其任務得 分=成功移動6個回收物(10x6)+成功放置回收物至指定位置(30x5)=210分

難度所在

機 械人要將回收物移出堆放區(qū)這不是難事，但要將其送到指定分類區(qū)，這30分卻有一定的難度。如果回收物于堆放區(qū)的位置是以特定方式放置，機械人要分辨拿取的 回收物會較容易。若回收物是隨意放置在堆放區(qū)內(nèi)，難度會大大增加。相信部份選手可能會放棄分辨回收物，直接將回收物送至預先設(shè)定的分類區(qū)。如采用這種策 略，最好是鉗臂的計設(shè)較大，每次能運送兩至三個回收物，可能有效益會更高。根據(jù)回收物的顏色(白、紅、黑)，運用紅外線傳感器來分辨回收物是個可行做法， 監(jiān)于回收物外型紅和黑色的較容易分辨。

雖然競賽項目規(guī)定了選手使用的機械人套件，可能會阻礙了他們發(fā)揮。但從另一角度看，大家都在同樣的條件下作賽，這更能考驗選手的搭建設(shè)計和編程的功夫。此外，每年奧林匹克機械人大賽的競賽項目都各有特色，令選手要不斷面對一個個新挑戰(zhàn)，從難題中學習并提升技術(shù)。

后記

至 于今年的創(chuàng)意賽主題為「緊急救援機器人」。小學組、初中組、高中組三個組別各會選出最佳創(chuàng)意、技術(shù)、表現(xiàn)三個獎項的得主，從三方面去評審學生作品。比賽除 要求參賽者展示其作品及海報外，亦必須用英文展示說明及問答討論。可見得一件作品要有好的發(fā)揮，除了選手付出的研究心血外，面試環(huán)節(jié)亦非常重要，這方能突 出作品優(yōu)勝之處。