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國際奧林匹克機械人解構

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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並由「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部(LEGO Educational Division)合辦的國際性機械人比賽。目的是藉著電腦資訊及科學原理之融合運用,啟發參賽者之科技運用及創意,並以機械人設計之競賽活動,達到推動 創意科學教育之目的。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)。而競賽項目的內容 每年都可能改變,目的是增加比賽的挑戰性和多樣化,讓參賽者從中認識更多技術。以下就為大家解構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、 感應器等),亦不可使用螺絲、黏著劑或膠帶等物品來固定零件。控制程式必須以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 手於比賽中使用的零組件不容許有成品、半成品、疑似機構之物件、使用之說明書、機械人組裝步驟或圖片、賽前寫好的程式、已設定控制程式的機械人控制器或是 可能影響比賽公平進行之物品。規定隊伍於時限60分鐘內即場組裝機械人、撰寫控制程式,並可在比賽場地進行測試。組裝時間結束時,通過裁判對機械人的組裝 審核後方可比賽。

該項安排明顯是要考驗選手的應變能力及時間分配,並要求選手憑經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置,然後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 於比賽有一定難度,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,成績並取其較佳的一次。首回合結束 後,有10分鐘時間修整機械人(包括程式、更換零件等),然後再迎戰第二回。如賽果出現兩隊最佳成績相同,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出發,沿著指定路線,抵達終點區。

比賽場地由32塊285mm x 285mm白色底及黑色軌跡線的方塊組成並為成8 x 4矩陣。場地左側(或右側)放置一塊60mm x 1140mm 的黑色底板。牆面高90mm、內側為黑色。

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(用於起點區與終點區)。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沿指定路線,抵達終點區並使終點計時器停止,才完成任務。若機械人的投影完全離開黑色軌跡線,或經十字路段時未依裁判團作規定動作,均被判定為「機械人未完成比賽」,且該回合立即被終止,並由裁判計終止前所獲算分數。

機械人依順序且機身完全通過一個路段方塊可取10分(不包括起點區與終點區)。比賽的成績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,機械人的程式和搭建應不成問題。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,而兩者的比賽型式和場地佈置亦極為相似。所有筆者以下會一併介紹。
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。

場地佈置

1) 場地尺寸為長2340mm × 寬1140mm、白色底;牆面高90mm、內側為黑色。
2) 起始區及終點區長400mm x 寬360mm。
3) 轉折區長400mm x 寬750mm。
4) 跑道區內分為十二個路段,每段長385mm x 寬360mm,其上可能設有隧道、草地、碎石、故障車輛、橋樑等路段。設置順序與數量於選手組裝開始前,由裁判團宣佈。橋樑和終點區的氣球只出現於小學組。

任務及計分

小學組---比賽時限1分鐘。機械人由起點區出發,通過各式障礙物,抵達終點區,並刺破汽球。
初中組---比賽時限2分鐘。機械人需以「腿」移動,由起點區出發,通過各式障礙物,抵達終點區。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 動。每條腿都必須以動力驅動,不可僅作為支撐用。組裝時間結束,裁判團將進行器材審核,並執行「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)。當然重複通過的路段,或是未依序通過路 段,於該路段是不獲得分。時間得分為時限(秒)減去完成整個路段所需時間(秒)。於小學組中,機械人在時限內抵達終點區,並刺破汽球,可額外加30分。若 機械人進入終點區,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,我們可根據場地障礙物佈置選擇迷宮法左手法則或右手法則,讓機械人靠著牆走。使用左手法則將感應器安裝於機械人左側;右手法則將感應器安裝於機械人右側。若機械人搭建得宜最終應可到達終點區。

如果使用紅外線光感來判斷機械人與牆壁距離需要留意。因為比賽場地內側為黑色,這會給收紅外線,影響感應器探測的表現。所以使用碰撞感應器是較有效做法。

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,亦有助機械人刺破終點區的汽球。由於需要應付碎石和橋樑路段,搭建時輪子、底盤、感應器離地距均不宜太小。

至於初中組的同學就得了解連桿機構及其搭建技巧,所以賽前要有足夠準備,實質的測試是必要的。這樣才可搭建出走得又快又穩的步行式機械人。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」,由起始區出發,進入各轉折區,抵達終點區。

比賽場地尺寸為長2340mm × 寬1140mm × 高750mm白色底。

起點區及終點區長500mm × 寬380mm,於路段的前端與末端,均設有寬50mm的黑線。

轉折區長500mm × 寬760mm,內設有Y字形軌道線,軌道線寬18mm黑色,末端設有寬50mm的黑線

跑道中間設有黑色軌道線,軌道線寬18mm黑色。

任務及計分

比賽每回合2分鐘。機械人從起點區出發,進入轉折區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,抵達並停在終點區內。
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,則該回合比賽結束,選手應立刻停止機械人,並由裁判計算分數。

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折區取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折區,機械人於轉折 區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,並且機械人上投影需接觸轉折區末端黑線始能得分。當機械人在搬運區時,就不需接觸搬運 區末端黑線。本項總分為80分(共有2個轉折區)。
2)機械人機身完全進入終點區內,並且機身靜止於終點區內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

機械人從起始區出發,進入各轉折區,抵達搬運區,搬取負載物,再回到起始區

場地佈置與初中組的阿里山小火車競速賽是一樣的,分別在於最頂的折返區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。從起始區出發,沿著軌道線,通過各路段,進入各轉折區,抵達折返區,搬取負載物,再回到起始區。機械人回到起始區後,須停在起始區內。

1)機械人每通過一個轉折區取40分:內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個轉折區)。
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並移出折返區,才算任務完成。若機械人的機身完全進入折返區,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內。
4)機械人靜止於終點取40分:機械人機身完全進入終點區內,並且機身靜止於起點區內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折區,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,於高中組更要負 載鋁罐倒車下坡。同時於轉折區選擇適當的分支路段亦成了個問題。運用兩至三個紅外線對地光感是相信是必言的,而且更可能需要於程式中設定機械人向左轉或右 轉的時機。

高中組的隊伍,如要在搬運鋁罐的任務中取得分數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鋁罐鉗住並運返起點,鉗臂的設計要有足夠力量固定鋁罐。在搭建時需要考慮機械人於負載鋁罐前後的落坡和上坡表 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,機械人由起點區出發至堆放區,將放在堆放區的各式回收物,移放至分類區的指定位置

比賽場地尺寸為長2340mm ×寬1140mm白色底,外框牆高90mm內側為黑色,導航線寬18mm黑色。
起始區長寬均為400mm,含黑色框線寬18mm。
堆放區長400mm x寬800mm,內放置數個回收物。
分類區長寬均為300mm,共有三個分類區。

 

回收物之類型如下:

回收物於分類區的堆放位置、種類與數量,於參賽選手組裝開始前,由裁判團宣佈,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,機械人由起點區出發至堆放區,將放在堆放區的各式物件,移放至分類區的指定位置。除非參賽隊伍觸碰機械人,否則機械人出發後不需再返回起點區。
機械人位於起點區內時,不得以延伸或栓繩等方式對比賽場地進行任何動作。於賽事進行中,每當選手觸碰機械人,選手須立刻將機械人拿回起跑區。隊伍之後可進 行準備動作,並於起點區再次出發。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的回收物、離開堆放區的回收物、在分類區的回收物。直至扣完為 止。

該項比賽只設任務得分,於回合結束後,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。
假設共有9個回收物,機械人於回合時間內,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後,選手觸碰機械人。裁判依規則扣除一個 尚在堆放區的回收物,且要求選手將機械人拿回起跑區,重新出發。回合結束時,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。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這不是難事,但要將其送到指定分類區,這30分卻有一定的難度。如果回收物於堆放區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內,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定的分類區。如採用這種策 略,最好是鉗臂的計設較大,每次能運送兩至三個回收物,可能有效益會更高。根據回收物的顏色(白、紅、黑),運用紅外線感應器來分辨回收物是個可行做法, 監於回收物外型紅和黑色的較容易分辨。

雖然競賽項目規定了選手使用的機械人套件,可能會阻礙了他們發揮。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,從難題中學習並提升技術。

後記

至 於今年的創意賽主題為「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意、技術、表現三個獎項的得主,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揮,除了選手付出的研究心血外,面試環節亦非常重要,這方能突 出作品優勝之處。

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