第十二屆中國青少年機器人競賽機器人創(chuàng)意比賽主題與規(guī)則
1 關(guān)于機器人創(chuàng)意比賽
機器人創(chuàng)意比賽是基于每年一度的中國青少年機器人競賽的主題與規(guī)則,組織在校中小學生機器人愛好者,花費6個月左右的時間,在課題導師或教練員的指導下,在學校、家庭、校外機器人工作室或科技實驗室里,以個人或小組的方式,進行智能機器人的創(chuàng)意、設(shè)計、編程與制作,最后以具體的機器人創(chuàng)意作品的形式參加中國青少年機器人競賽組委會舉辦的機器人創(chuàng)意比賽活動。
機器人創(chuàng)意比賽對于培養(yǎng)學生學習與綜合運用機器人技術(shù)、電子信息技術(shù)、工程技術(shù),激發(fā)創(chuàng)新思維潛能,提高綜合設(shè)計和制作的能力極為有益。
2 主題:仿生機器人
2.1主題簡介
早在人類出現(xiàn)之前,各種生物已在地球上存活了億萬年。在歷經(jīng)滄海桑田、物競天擇的進化過程中,它們的內(nèi)部形成了極其精確和完善的機制,獲得了適應(yīng)大自然環(huán)境變化的強大能力。神奇的生物界具有許多卓有成效的本領(lǐng),顯示出比迄今任何人造機械都優(yōu)越的特性或功能。如結(jié)構(gòu)的物理力學特性;體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞;識別、導航、定向計算和綜合等。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性堪稱巧奪天工,令人驚嘆不已。
仿生學(bionics)是一個在具有生命之意的希臘語bion上,加表達工程技術(shù)涵義的ics而組成的詞語,大約始于1960年。仿生學就是要在工程上實現(xiàn)并有效地模仿和應(yīng)用生物功能的一門學科,是連接生物與技術(shù)的橋梁。顧名思義,仿生機器人是仿生學原理在機器人學科的具體應(yīng)用。
與生物界的所有類群比較,人類的能力和智慧之所以無與倫比,就在于人類能夠借助智慧和雙手制造工具,改造自然,其中也包括通過觀察、設(shè)計、實驗去認識自然界,模仿生物,從而在生存環(huán)境里獲得更多的自由。
人們的仿生探索活動由來已久,從比照魚類的形體打造船只,到模仿鳥兒的雙翅,乘飛機翱翔藍天,例子俯首皆是。
機器人學科的情況同樣如此。從古至今,人類創(chuàng)造仿生機器人的沖動方興未艾。近的,如機器狗、雙足機器人、人工假肢等等,在現(xiàn)代機器人發(fā)展的半個世紀中,仿生機器人始終是一個熱門研究課題,是機器人學重要的一個分支。
本屆“機器人創(chuàng)意比賽”的主題選定“仿生機器人”,其主旨在推動我國青少年親近自然界,通過觀察和了解生物界,汲取創(chuàng)作機器人的靈感,讓機器人更好的為人類服務(wù)。
2.2課題研究
仿生機器人涉及到兩個關(guān)鍵詞,一是機器人,二是仿生。對于前者,大家都有比較多的了解,所以重點來解讀后者。
(1)生物界的多樣性,決定了仿生機器人的多樣性。因此,仿生機器人的選題很寬泛,可謂多姿多彩。在課題研究的選題階段,參賽隊需要注意自然界生物的多樣性,從中提煉所要模仿的生物的獨特之處,查明它們的具體原理、機理、機制,歸納出機器人的創(chuàng)新點。仿生機器人的創(chuàng)新點一定聚焦在機器人與生物的結(jié)合點上,在那里生長出新穎性。
(2)研究步驟
通常研發(fā)仿生機器人需要經(jīng)過下面幾個環(huán)節(jié):
類比——既然要仿生,就必須有意識地向生物界學習,對生物原型加以調(diào)查剖析。最通常的方法是運用類比方法,即比對人類和生物之間的差異,找出后者的優(yōu)異之處,以此鎖定模仿的對象,探究其基本原理和組織機制,從中汲取創(chuàng)新的源泉。
抽象——由于生物系統(tǒng)的復雜性,為了探究生物系統(tǒng)的原理和機制,需要從紛繁的因素中抽絲剝繭,去偽存真,提煉主要因素,得到一個較為簡化的生物模型。這個模型應(yīng)該能夠描繪出所模仿的生物的主要特質(zhì)及原理。這樣就確定了創(chuàng)新點。
映射——生物體和機器之間存在明顯的區(qū)別。簡單說,生物體是一個有機的生命體,而機器是無生命的無機體。后者必須遵循物理-力學的定律,才能使各部分協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。因此,如何由機械系統(tǒng)實現(xiàn)生物功能,不能局限于簡單的仿生,更重要的是把生物模型映射成一個機械模型,一個具有工程可行性的實物模型,這就要求在原有基礎(chǔ)上創(chuàng)新和提高。
生物模型、數(shù)學模型和機械模型三者,前者是基礎(chǔ),后者是目的,而數(shù)學模型則是這兩者的橋梁。
實驗——經(jīng)過實踐-認識-再實踐的多次重復,仿生機器人逐漸趨近被模擬生物的功能,最終仿生機器人可能與生物原型有些許區(qū)別,有時存在落差,有時在某些方面超過原型。例如動力假肢的承重能力就超過了普通人類的體能極限。再一個淺顯的例子是電子計算機比人的計算能力迅速而又可靠。
(3)選題范圍
仿生學的研究范圍主要包括:力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。
力學仿生——研究并模仿生物體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學性質(zhì)(包括運動學、靜力學和動力學)。典型的,如模仿人類的軀體和四肢的組織結(jié)構(gòu),以及靜步態(tài)和動步態(tài)下的力學特性,實現(xiàn)雙足步行機器人的行走和跑跳。
分子仿生——研究與模擬生物體中分子結(jié)構(gòu)、酶、膜等起到的功能和作用。例如壁虎的指和趾端上密布著腺毛,有極強的粘附能力。受此啟發(fā),在“粘蟲”式機器壁虎的足底制作出數(shù)百萬個極其微小的人造毛(人造橡膠材料,長約2m,直徑約500nm),它們與墻壁間能產(chǎn)生所謂的“范德瓦爾斯力”分子弱電磁引力(僅2mm2見方內(nèi)的100萬根毛發(fā)就能支承20kg重量)。
能量仿生——研究與模仿生物體能量轉(zhuǎn)換機理,如發(fā)光、肌肉將化學能轉(zhuǎn)換成機械能等;瘜W家已經(jīng)開發(fā)出一種具有-共軛結(jié)構(gòu)的導電聚合物人工肌肉(人造橡膠和泡沫的混合物),它可在受控條件下將電能轉(zhuǎn)換為機械能,適合用做仿生機器人的面部皮膚,讓臉部的表情更豐富。
信息與控制仿生——研究與模擬生物體感覺器官、神經(jīng)元、以及高級中樞的智能活動等方面的信息處理過程。例如生物的中樞模式發(fā)生器CPG(central pattern generator ),在人工蠕蟲、六足步行機器人等多肢體節(jié)律運動協(xié)調(diào)控制中得到成功應(yīng)用。
在充分理解比賽主題的基礎(chǔ)上,經(jīng)過課題研究確定作品的制作方案后,就可以進入課題的實施階段。一定要讓自己所遴選的項目研究和演示的內(nèi)容緊扣主題,貼合主題,在此前提下,圍繞自己最有心得的,或者最感興趣的機器人(或機器人系統(tǒng))作品形式抒發(fā)創(chuàng)意,表述創(chuàng)新。創(chuàng)新點不必貪多,突出一個或兩個深入研究,避免陷入把精力放在編排故事、構(gòu)造情節(jié)的誤區(qū)。
3 比賽規(guī)則
3.1 分組
比賽按小學組、初中組、高中組分組進行。參賽隊應(yīng)該在賽前完成參賽作品的制作和搭建,屆時攜帶作品赴現(xiàn)場,比賽的內(nèi)容為展示、演示和評審。
每支參賽隊的參賽人數(shù)為不多于3名學生和1名教練員(教師或?qū)W生)。學生必須是截止到2012年6月底前仍然在校的學生。在現(xiàn)場布展階段學生隊員和教練員均可以入場工作,但是在封場評審階段教練員不得入場指導和參與問辯。
3.2 參賽作品的器材要求
參加本屆競賽的機器人作品,除不得選用污染環(huán)境、有害健康的器材外,原則上不限定參賽使用的器材。鼓勵小學組參賽作品盡量利用平時課外活動的、現(xiàn)成的機器人器材套件開展設(shè)計和搭建,力求節(jié)省成本,避免比賽的成人化傾向。提倡在初、高中組參賽作品中一定程度采用自制器材,且機器人的創(chuàng)意、設(shè)計、搭建、編程應(yīng)由學生獨立或集體親身實踐和完成。
3.3 參賽機器人作品應(yīng)該體現(xiàn)六個要素
(1)符合創(chuàng)新比賽的主題,正確體現(xiàn)機器人的內(nèi)涵;
。2)在契合主題的前提下,機器人演示的完整性和創(chuàng)意的新穎性;
(3)科學性和一定的研究制作工作量;
。4)研制過程和作品成果均體現(xiàn)出學生的主體性;
。5)注重機器人的外觀設(shè)計、制作工藝、觀賞性;
(6)規(guī)范的研制報告。
3.4 機器人創(chuàng)意比賽程序
3.4.1申報
機器人創(chuàng)意比賽參賽隊應(yīng)在規(guī)定的截止日期,即2012年6月5日前向組委會辦公室提交申報資料,其內(nèi)容如下:
。1)機器人創(chuàng)意比賽項目紙質(zhì)申報表;
。2)機器人創(chuàng)意比賽項目研制報告一份。該報告的文字與圖表(外觀圖、結(jié)構(gòu)圖、原理圖等)共計不超過5頁,另附作品彩色照片、但數(shù)量不超過5幅;
(3)機器人動作演示的視頻資料1~5分鐘;
。4)項目研發(fā)所需材料清單一份;
。5)項目運行的完整程序設(shè)計(程序設(shè)計可以使用圖形程序設(shè)計),使用的語言不限;
(6)除必須郵寄紙質(zhì)版本申報表一份和視頻光盤外,其它申報資料均以電子版本形式提交(通過中國青少年機器人在線網(wǎng)站robot.foshanbendi.com,以下簡稱網(wǎng)站)
(7)是否按時、完整、規(guī)范地提供上述資料,將作為申報作品資格審查與項目初評的重要依據(jù)。凡未達到合格要求者,將被視為初評不合格,而取消參加全國終評的資格。
3.4.2資格審查與初評
競賽組委會和專家委員會將根據(jù)申報資料對參賽作品進行資格審查與初評。其結(jié)果定于2012年6月15日前在網(wǎng)站公示。通過資格審查與初評的作品才被允許進入全國終評階段。
3.4.3現(xiàn)場布展
。1)獲得終評資格的參賽選手要為各自作品制作一塊120厘米(高)、90厘米(寬,一律豎用)的作品展示板,供展示使用;
。2)各參賽機器人作品的展臺面積不超過2平方米;
3.4.4機器人的組裝與調(diào)試
在正式展示和問辯前,組委會安排一定時間段供參賽隊布展、組裝和調(diào)試作品。
3.4.5終評
機器人創(chuàng)意比賽的終評包括作品展示、公眾對現(xiàn)場作品的評價和評審小組成員的現(xiàn)場問辯。
。1)公眾評價:在參賽作品面向公眾的展示、演示的過程中,競賽組委會將隨機組織部分公眾對作品進行民意測驗。公眾評價對終評起參考作用;
(2)現(xiàn)場問辯:在終評的指定期間段內(nèi),所有參賽選手應(yīng)在展臺旁待命,以便接受評審小組的現(xiàn)場問辯。現(xiàn)場問辯為封場評審,除參賽學生選手外,其他人等均不得進入場區(qū)。選手有5分鐘的講解與演示時間,問辯時間通常為5~10分鐘;
終評是在綜合初評、現(xiàn)場展示效果、公眾評價、問辯表現(xiàn)的基礎(chǔ)上,依據(jù)評分標準(見后),經(jīng)評審小組集體評議后做出的,交評審委員會主任簽字后生效。
組委會將在閉幕式上發(fā)布終評結(jié)果,并在網(wǎng)站上公告。
4 機器人創(chuàng)意比賽作品的評分標準
按照表1所示的六項標準評分。
表1 機器人創(chuàng)意比賽作品的評分標準
作 品 評 分 標 準 | 項目 | 細目 | 權(quán)重 |
創(chuàng)意 | 新穎性、獨立性、特色,有一個創(chuàng)新點或多個創(chuàng)新點 | 25% |
目標 | 1.目標明確,契合主題,選題有新穎性 2.問題帶有社會性和典型性,解決方案有可行性 | 25% |
工作量和完整性 | 1. 作品申報的資料完整、按時、規(guī)范 2. 工作量.適當,由學生獨立或團隊合作完成 | 15% |
設(shè)計制作 | 1.作品結(jié)構(gòu)合理巧妙,制作精良 | 15% |
表達操作 | 1.現(xiàn)場操作嫻熟、機器人演示過程完整 2.展板內(nèi)容簡明,版式富有創(chuàng)意,視覺效果好 3.陳述清晰,問辯回答正確,能反映對創(chuàng)意的深入理解 | 10% |
團隊精神 | 1.團隊分工明確,各司其職,團結(jié)協(xié)作 2.項目成果由團隊集體合作完成 | 10% |
5 獎勵
按照高中、初中、小學的組別分別評獎。
一等獎-------20%,頒發(fā)金牌(和證書)
二等獎-------30%,頒發(fā)銀牌(和證書)
三等獎-------50%,頒發(fā)銅牌(和證書)
6 其它
6.1關(guān)于比賽規(guī)則的任何修訂,將在中國青少年機器人教育在線網(wǎng)站http://robot.foshanbendi.com/上發(fā)布。
6.2 關(guān)于規(guī)則的問題可通過該網(wǎng)站的Q&A欄目答疑。
6.3 比賽期間,凡是規(guī)則中沒有說明的事項由裁判委員會決定。
6.5 第十一屆中國青少年機器人競賽裁判委員會對凡是規(guī)則中未說明事項,以及有爭議事項,均擁有最后解釋權(quán)和決定權(quán)。