引领未来学院斩获马州机器人大赛第一名

L4FA首战IEEE机器人大赛

-斩获马里兰州四腿行走型所有项目第一名并突破多项纪录

2018.04.16

未来引领学院公共事业宣传部

        非盈利教育机构引领未来学院(Lead for Future Academy, L4FA)在不断的探索和尝试下不断开设出与众不同的新课程。为了培养孩子们的动手能力,独立思考能力,团队合作能力,表达能力,和研发能力,L4FA经过一段时间的探索,在航空控制专家和计算机专家王鹏老师的带领下,早在2017年暑假就开始了机器人预科班的训练,并于2017年12月成功开设了机器人课。课程的目标是参加一年一度的 Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), Baltimore Section Robot Challenge 机器人挑战比赛。IEEE 马里兰州的Robot Challenge 项目是由 IEEE工程师Neville Jacobs 先生1996年创建的,也是世界上唯一用两个直流电机和相关的机械组件完成一个腿运动的模型。今年是第22比赛年, 一共有51个团队参加,其中两腿行走型项目有42个队, 四腿行走型有9各队参赛。

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       根据学生的年龄,L4FA机器人队分成了两支团队,一支是由初中生组成的初中队,另一支是由高中生组成的高中队。 根据比赛要求,同学们可以选择做两条腿或者四条腿的机器人。机器人的每一条腿由一个学生操控,腿越多,机器人设计要考虑的参数越多,操控也越复杂,团队配合的要求也更高。从以往的比赛记录看,四条腿机器人的成功案例很少。到目前为止只有很少团队走完了全程,历史记录最快的时间为11多分钟。可想而知要让4腿机器人平稳直线行走的难度非常高。但L4FA的孩子们本着初生牛犊不怕虎的精神,两支队伍全都选择了4腿机器人的比赛项目。

        从训练开始,王老师就给同学们介绍了目前机器人的研究课题和前沿成果。重点教授机器人构造与原理、学习电机工作原理、神经网络深度学习原理、重心测试方法、单腿和四腿的运行模型、机械视图、电子组件的焊接、电路图原理、软件基本结构和微控制器原理与C语言程序的基本语句等。给孩子们布置了相当多的课后作业,让同学们学习,然后写读书报告,然后再小组讨论,每天的课堂时间设置了学生讲自学的总结和体会。从而培养了孩子们自学,小组讨论,和发言表达的能力。然后,根据他们所学知识设计机器人,同时根据每个孩子的特点分配不同的任务,定期检查。会编程的同学写操控程序,会画画的同学设计队徽和队旗,会演讲的同学负责发言,同学们各司其职,按质按量完成任务。除了基本知识的学习与训练, 训练了写作项目报告书中的项目计划、高、低层的设计原理与内容, 单元和系统测试,系统维护等电子工程的重要内容。终极目标正如项目组织方所说的三种能力在比赛中体现: 能写出来, 能进行实际操作并能说的明白。

        在机器人的设计过程中两个团队同时遇到了很多困难,增加到了四个腿,其出现的复杂因素和困难程度成指数式上升。首先是整体机器人的结构如何保持平衡,经过了无数次的试验和样机的改进,终于研发出了符合科学和工程学的机器人身体的结构设计。在设计过程中同时改进和创新了电源总线结构,成功地实现了电源与控制总线的分布链接的改进与突破,并可以用手控单元和计算机控制单元随意互换的模块式结构,攻克了一个又一个的技术难关。

        机器人建造完成,要让机器人真正直线行走起来,孩子们同样遇到很多困难。机器人刚刚开始走路的时候,由于同学们不会配合,有时一条腿都不动,有时几条腿同时抬起,机器人立即摔倒在桌面上。有的时候机器人左摇右摆,有的时候机器人原地打转,有的时候有同学操作太快,又有的同学操作太慢。机器人就这样摇摇摆摆地移动,活像像一个蹒跚学步的娃娃,经过不断地配合协调训练,学生们终于掌握了四腿运动学原理和运动的数学模型,根据他们的自己的设计最佳的运动模型,孩子们终于可以平稳地让机器人一步一步向前走路了。两个团队在比赛前经过了十一次的操作训练,并和家长一起完成了预赛的模拟演练。

        4月15日,比赛的时间到了。孩子们都换上了鲜艳的红色队服,精神饱满地来到Baltimore Museum of Industry (BMI) 的比赛场地。比赛过程中两个队伍在各个分项成绩都遥遥领先与其他队伍。课题报告书分获27.5 和22的绝对高分。报告书的满分成绩是25分,由于高中队的同学报告书太优秀了,超出标准,额外获得了2.5分的奖励分。机器人的行走比赛尤其精彩和曲折,由于这是第一次比赛,孩子赛前不知道赛道的宽度。这条赛道比我们平时训练的乒乓球台窄很多,机器人刚走不久就压线了,机器人压线就要扣分。但孩子们并没有因为一开始的挫折而气馁,他们立即调整心态,小心翼翼地用时10分24秒走完全程。我们另一支队伍在吸取了第一队的经验之后,从一开始就格外小心,但走到一半时用时已经超过了5分钟,孩子们再次使出了拼搏精神,加紧配合,用了仅仅3分钟就走完了后半程。结果以8分45秒获得了手动组第一名的好成绩。L4FA的两只团队不仅顺利走完全程,而且还双双打破了IEEE Robot Challenge 的最佳纪录,创下了8”45’的最新纪录。之后的演讲和答辩过程,同学们也不负众望,双双获得满分15分的好成绩。最终,L4FA高中队和初中队还分别以100.5 和90的总成绩打破了马里兰州的总成绩纪录, 再创佳绩。

        L4FA机器人团队牛刀小试,首秀旗开得胜。L4FA高中队,一路领先,披荆斩棘,荣获第一,实至名归。令人惊喜的是L4FA初中队,紧随高中队,表现同样可圈可点,总成绩比第三名高出近30分。L4FA初中队是这次比赛中唯一的一支由初中生组成的队伍。

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       机器人课程不仅教授了机器人相关的知识,还教授了孩子如何管理他们的时间,培养了团队协作精神。同时,众多热心家长给与了强有力的支持,计算机控制专家张涛女士在机器人的操控和编程方面贡献卓著。陶锋博士、Dr. Ozbun和朱浩博士及刘建敏计算机等专家们以及众多的家长在不同的阶段,提供了巨大的支持和帮助。这个项目的比赛是多方面的,没有家长们的鼎力支持与支援,就不可能取得各个分类项目第一名和满分的优异成绩。

       在美丽的四月天里,我们机器人团队的老师们,已经开始踏上了下一个台阶的新征程,带领学生进行更全面,跟进当代科学与工程发展最前沿的技术与教育,实现更多的突破。我们为L4FA机器人队加油喝彩,希望L4FA机器人队再攀新高峰。

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