VEX機器人工程挑戰賽競賽比賽策略分析

◇蘭州市第十四中學 王 焱

近年來，科學技術迅猛發展，對人類社會的政治經濟產生了深刻的影響。機器人競賽活動作為一項獨具魅力的、能激發青少年科學興趣的科技活動，在國內發展迅速。本文嘗試去探尋競賽模式下的中學VEX教學，從而為以后的VEX機器人活動開展提供思路。

1 VEX機器人競賽現狀

VEX機器人大賽又稱VEX機器人世界錦標賽，是一項旨在通過推廣教育型機器人，拓展中學生和大學生對科學、技術、工程和數學領域興趣，提高并促進青少年的團隊合作精神、領導才能和解決問題能力的世界級大賽。每年4月份的世界錦標賽當中會發布新的賽季規則，參賽者根據比賽規則來設計機器人結構、編寫機器人操作程序、進行項目解讀及管理，并以競賽形式來培養學生的創新能力和綜合實踐能力。機器人技術作為前沿技術得到快速的發展，以LEGO、VEX等設備為代表的機器人教育在當下已經成為一種趨勢，通過對國內VEX競賽參賽隊伍組成人員的調查統計發現，VEX機器人教育一般在學校以競賽課外小組的形式存在，雖然有部分校外機構同樣引進了VEX機器人設備進行校外培訓，但整體比賽仍以學校作為依托。在學校的機器人社團內每只參賽隊都有不多于四名同學參與并各有分工，社團內的隊伍既有交流又有競爭，這樣的形式符合機器人跨學科重實踐的特點。

本文嘗試去探尋競賽模式下的中學VEX教學，從而為以后的VEX機器人活動開展提供思路。

2 中國青少年機器人競賽比賽模式

中國青少年機器人競賽于2007年引進了VEX機器人工程挑戰賽，比賽規則與VEX世界錦標賽規則有所不同。參賽隊伍訓練時應該特別注意規則的區別。

VEX機器人工程挑戰賽以參賽隊組成“聯隊”的方式比賽，紅、藍聯隊同場對抗。比賽分為自動比賽與操作手控制兩個時段，總時間為120秒。在自動比賽時段，機器人需由預先編制的程序控制自主運行，不能人為操作；在操作手控制時段，參賽隊員用遙控器控制機器人的運行。

中國青少年機器人競賽中的VEX機器人工程挑戰賽分小學、初中、高中三個組別進行比賽。從2014年比賽開始，每個組別比賽開始前，抽簽確定自動比賽時段的時長。參賽隊必須在比賽現場編制或修改程序，這將使比賽更具有挑戰性，也考核了學生的編程和應變能力。

3 VEX機器人競賽活動設計與實施

基于任務驅動的競賽模式將VEX機器人作為技術和團隊協作工具與學生的創新教育相結合。在這種模式下的競賽教學，不是按照傳統教學模式中，教師按部就班對書本上的知識進行講授，而是以任務為中心，尋求解答為驅動力，從而來激發學生主動學習。

3.1 基本搭建技巧

VEX機器人工程挑戰賽的參賽隊伍需根據比賽規則來搭建一臺機器人。機器人的結構通常包括底盤驅動裝置、抬升裝置、拾取得分物品裝置三部分。機器人搭建完成后，先要按照比賽規則中的相關規定進行自查，并對不合規定的地方進行修改，以保證參加比賽時順利通過賽前的全面檢查，還要特別評估機器人結構的穩固性，以保證自己的機器人能夠經得住多場激烈的對抗賽。

（1）常用底盤結構。

底盤是用于驅動機器人行走及承載其上別的結構的裝置。從使用效率和牢固性能角度考慮，一般的底盤設計多以矩形框架為主。在矩形的邊沿安裝輪子和電機等動力裝置。有一些常用的組合方式。

實心膠輪組合的特點是輪子抓地性好，驅動能力強，不易被其他機器人推動，相對來說適合做防守型機器人。4輪實心膠輪組合優點在于結構簡單，易于制作；前進后退的方向上輪子抓地性好，因而能提供較大的驅動力；不易側向打滑；缺點是原地轉動靈活性差。6輪實心膠輪組合與4輪相比多了一對輪子，在承重能力上更好；前進后退的方向上提供更大的驅動力；不易側向打滑；缺點是原地轉向靈活性比4輪結構還要差。

全向輪組合的特點是輪子抓地性雖然不及實心輪好，但轉向迂回非常靈活，相對來說適合做進攻機器人。4輪全向輪的優點在于結構簡單，易于制作；轉向非常靈活，機動性高；缺點是側向摩擦力小，靜止和行動中都非常容易受到碰撞干擾；前進后退方向的驅動力較小。5輪全向輪組合在底盤中央增加了一個垂直方向的輪子，在不損失正向驅動力的情況下，讓機器人能不需要轉向即可水平移動。

麥克納姆輪組合的特點是既能提供較強的驅動力，又有高度靈活性。由于結構限制，麥克納姆輪與地面接觸上仍然不及同尺寸的實心膠輪，因而驅動能力上相對較弱。

（2）機械臂結構。

機械臂通常有兩部分，一部分為抬升裝置，一部分為獲取得分物品裝置。

抬升裝置用于將獲取得分物品的裝置抬升到一定的高度。有以下幾種類型，單關節型一般通過多級齒輪減速或氣動元件驅動主關節，其結構簡單，簡潔牢固，易于制作，但抬升高度有限；升降平臺型容易獲得較高的抬升高度，但整體的牢固性差。升降梯型利用齒條作為驅動結構件，與單關節相比能獲得更高的抬升高度，同時保持了結構緊湊和牢固，但結構較為復雜。復合型結合了單關節型和升降平臺型的優點，驅動結構簡單，容易獲得抬升高度，兼具牢固性，但結構較為復雜。

獲取得分物品裝置是將場地中的得分物品抬起并運送到得分區域內，因得分物品的外形及材質不同，可能采用的獲取方式就不同，所以需根據實物決定使用什么樣的獲取裝置。有以下幾種類型，夾子型結構相對簡單，夾持力較大，適合單個、體積較大的物品。鏟子型結構簡單，適合收集體積較小，數量較多的物品。吸取型采用兩條相對固定的鏈條或履帶為基礎，在其上捆扎扎帶或固定橡膠墊、橡膠輪等材料而成，抬取和釋放速度都比較快。

3.2 競賽策略分析

競賽技巧需要通過長期的訓練和機器人的搭建中摸索，可以從以下幾個方面著手。

適當增加工具，除了VEX機器人套材所配備的工具外，還可以增加一些工具，如鐵皮剪、鋼鋸、角磨機、砂輪機、手電鉆、電動螺絲刀等，這樣搭建機器人時會比較方便。工作時，一定要確保每個人都佩戴防護眼鏡。

集思廣益，需要讓隊員了解每一項規則，然后開始討論，如果沒有討論就急于開始搭建機器人，可能會錯過一些好的策略和設計理念。將團隊所有的戰略和設計思路都列出，然后將其分類為“需要的、想要的、希望的”。如果團隊有時間來完成“需要”的類目時，仍然能夠保持你們的項目具有競爭力。如果時間允許，團隊可以試著去完成列表中的“想要的”和“希望的"類目要求。這僅僅是許多可行的集思廣益的過程之一。

搭建、測試、修改、完善，充分討論后，總結得出可能實現的結果，并開始搭建機器人。這個過程需要不斷地測試和修改設計，實際上這個過程團隊會花很多時間。在修改過程中，鼓勵成員按步驟以從簡到繁的方法來一個一個修改，這是一個反復的過程，直到機器人系統達到了預期的效果。當完成修改測試新的編程代碼后，請以新的文件名保存新的代碼。編程文件都很小，幾乎不占用硬盤空間,因此還需建立一個 規范易懂的命名規則以及及時保存你的程序到一個指定的硬盤位置(系統盤外)。因為你永遠不知道機器人或計算機什么時候會無法正常工作，所以到時會后悔沒有重新創建運行良好的程序。搭建、修改和編程階段可能都會碰到一些困難，這些困難可能從來沒有想到，尤其是在早期的修改過程中，應把一個“失敗”的設計作為學習和嘗試的方式,告訴所有團隊成員,并集體反復討論，讓所有成員從中都能學到一些有用的技能及一些人際交往能力，這對每一位成員都很重要。

訓練流程，VEX機器人的特點是技術難度較大，同時對隊員的個人操作水平要求的高。所以對于剛開始認識VEX項目的學生，一般遵循“ 先易后難、循序漸進”的原則，分步驟安排訓練內容。第一階段，給學生設置任務，嘗試讓學生自己搭建VEX機器人，達到熟練使用工具和器材的目的。第二階段，安排編程練習，嘗試讓學生自己完成自動時段的程序設計并結合硬件搭建，設計出自己的完整方案。第三階段，由于規則增加了自動時段的時長及得分物品位置的變化，加強了對學生自身設計能力的考驗，因此學生臨場的隨機應變尤為重要。這一階段設置不同的比賽變量進行模擬賽,組織學生進行聯隊對抗，包括內部對抗，以熟練掌握必要的技術細節。如果有可能，聯系其他學校的隊伍開展交誼賽，進行切磋交流。在訓練過程中，教練員們會發現有的學生比較擅長和喜歡硬件搭建、而有的學生則偏愛編程。因此，發現和培養學生的特長，并將其有機組合成小組，能起到很好的合作效果。

人才梯隊，為保證訓練效果及人才梯隊建設要做好隊員的選拔工作。以初中階段為例，正式隊員由初二學生擔任，后備隊員由初一學生擔任。在整個訓練過程中，初二學生可以承擔指導新隊員的任務。不僅僅是讓教練員省了些勞動，重要的是讓學生在教的過程中學習如何歸納總結和傳授技術。

4 結語

本文針對VEX工程挑戰賽競賽所具有的實操性特點，結合比賽實際情況，能夠讓學生從各個方面將學到的知識進行應用，使學生有較高的學習興趣，能夠調動學生自主學習的積極性，能夠讓學生不止止步于理論層面，而是轉為理論與實踐相結合，通過機器人的搭建、程序的編寫也能激發學生的創新意識，培養綜合實踐能力記憶團隊協作能力，對自己未來的規劃也更加明確。