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2014全國中小學機器人大賽暨WRO國際奧林匹克機器人全國總決賽

採訪、攝影/劉珈均、郭有迪

WRO(World Robot Olympiad)國際奧林匹克機器人大賽舉辦邁入第十一年,今年臺灣總決賽於高雄義守大學舉行,經過9月14、15日兩天比試,共有14組競賽組隊伍、5組足球賽隊伍、6組創意賽隊伍取得晉級國際賽資格。今年的WRO世界賽由太空科技強國俄羅斯主辦,主題訂為「機器人與太空」。大專組機器人必須深諳如何為「火星礦物」分類,中小學競賽分組拼湊「火箭」、撤換「太陽能板」、清掃軌道上的「太空垃圾」;創意賽則讓選手們自由發想專題,讓機器人成為太空人好幫手,協助太空任務。

競賽組

國小組 火箭

人造衛星、太空梭、探測船等皆需火箭之力才能前往太空,火箭發明至今尚未滿一世紀,已幫助人類完成登月、探索太陽系行星等重大任務,大大拓展人類宇宙觀。

在火箭發射前,必須先將火箭從廠房運到發射區組裝、疏散人員,並將火箭升至近垂直角度──這正是國小組的機器人任務。機器人要出發蒐集做為火箭結構體的三塊積木,按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序組裝成一大塊,在發射臺區的斜坡升起積木火箭,並疏散四周人員,一同回到安全區。

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機器人按照俄羅斯國旗顏色白、藍、紅順序排放,將火箭推向發射架後立起。

大部分機器人是一次一塊,來回幾趟依序將三塊積木運到發射區前排列成直線,再一次推上發射臺、啟動機關讓火箭結構體升起。選手們的策略大致差不多,場上常見的問題是機器人構造撞到場地、碰歪積木,或程式出錯導致機器人抵著牆空轉。

冠軍隊伍「E顆火龍果」屬於少數採行不同策略的隊伍,機器人出發後在場上遊走,一次便夾帶了所有積木,蒐集於機器人身側再推到發射臺上,觸發棘輪讓發射臺升起。此方法能減少一些不必要路線,「E顆火龍果」最後以1分8秒的時間順暢完成任務。隊員吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞從6月開始便反覆不斷練習、集訓到晚上,隊員們年紀雖小,接觸機器人資歷最深的已有七年。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 高雄縣陽明國小/民權國小/岡山國小 E顆火龍果 吳柏陞、鄧皓銘、方宥鈞
2 新北市私立裕德雙語小學/古亭國小/重慶國小 火箭隊 張嘉翔、余品劭、辜冠霖
3 新北市莒光國小 對不 王慎禧、何宸瑋、范閎凱
佳作 臺南市信義國小 White tornado 吳佩穎、鍾佳晉、曾紹剛

 國中組 人造衛星

太空垃圾(Space Debris)是繞著地球軌道的無用人造物體,小至人造衛星的碎片、零件,大至發射後拋棄的火箭結構,目前已有超過五千噸的太空垃圾散落在兩千公里外的地球軌道上,這些高速運行的碎片可能會撞擊、損害正常衛星與國際太空站。國中組競賽的任務便是清除軌道上失靈的衛星,還給正常衛星一條乾淨的軌道。

競賽場地看起來就像原子模型,黑色與綠色的橢圓軌道交叉,圍繞位於中心的地球。做為「人造垃圾場衛星」的白色紙筒沿著黑色軌道移動運行,綠色軌道則散布著4顆紅球(損壞的人造衛星)、2顆藍球(正常衛星)、2塊積木(太空垃圾)。機器人從地球出發後,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

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機器人預備從地球出發,先到綠色軌道上蒐集紅球與積木,再切換軌道「倒垃圾」。

有時候機器人碰撞到球,球便會像撞球一樣將其他物件撞開,一起在太空漂流;白色紙筒則是在過程中持續移動。大部分機器人蒐集完紅球與積木後會跨越至黑軌道停下等待,等紙筒從後面追上再傾倒。有些機器人時間估算恰到好處,穿越軌道後便攔截到垃圾場,但不少機器人因過程不順而延誤時間,跨越軌道前一秒紙筒才剛經過,機器人便得等紙筒走完一圈才能繼續。

機器人多使用夾爪夾取物件,夾爪在前方的機器人,多須停頓感測球的顏色、後退、往前夾球再繼續行走;夾爪在後方的機器人則正好利用行進的時間讀取,決定是否夾起遇到的物件,省去感測與後退的重複,相對順暢許多。國中組冠軍「e臺LEXUS」便是採用後者構造。

現場公布的臨時規則(Surprise Rule)是讓白色紙筒後方多拖曳一塊黑色方塊,若機器人推開了黑色積木就加分。不過,教練蔡德暐表示,基於策略考量,幾乎沒有隊伍執行。這是因為難以準確地推估行進中垃圾場位置,從後方追上的變數會較大。

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冠軍隊伍「e臺LEXUS」成員林珈禧、郭駿浩、洪為霖。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 高雄市瑞祥國中/左營國中/五甲國中 e臺LEXUS 林珈禧、郭駿浩、洪為霖
2 臺南市德光中學/永仁國中/建興國中 黑化肥發灰會揮發 張雅婷、姚昱志、吳長城
3 新北市恆毅中學 快樂馬 王昱淳、宋汶翰、陳威廷
佳作 臺中市崇倫國中 崇心啟動 溫梓傑、黃靖涵、賴俊霖

高中職組 太空站

國際太空站(International Space Station,ISS)是一個運行於近地軌道的設施,約兩個足球場大,太空人在這裡進行許多無重力研究實驗。自從2011年美國太空總署的亞特蘭提斯號(Atlantis)太空梭退休後,現今要前往ISS只能透過俄羅斯的聯盟號飛船。

高中職組機器人的任務為檢修「太陽能板」,機器人從基地經通道到太空區域,檢查9組積木,將損壞的太陽能板(黑色積木)帶回出發區域,並以正常的彩色積木替換,閒置的太陽能板擺放方向反了180度,機器人也要調整其方向。以轉軸旋轉積木會受限於機器人下方空間,不能碰地,且夾取的點必須非常精準;因此多數機器人夾住積木後整體轉180度,這比用旋鈕機關轉動積木來得順暢、不易出錯。

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機器人正在180度調整「閒置太陽能板」至正確方向。

在競賽場上,臺中市西苑高中的「很盟對不隊」表現相當突出,以滿分拿下冠軍。隊員們都是「未來工程數位研究社」社團成員,這臺機器人是從4月起社團30幾人共同投入討論、參考他校機型,並持續設計改良的成果。成員周炫佐表示:機器人的重心構造與程式要同時設計,否則可能在執行動作時不穩或打滑。該隊的機器人有個像彈匣一樣的特別構造,可夾取正常積木,挪出別的空位存放黑積木。

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第一名隊伍「很盟對不隊」的機器人,中間藏著特別的「彈匣」構造。

相較於有的機器人「一次只解決一種問題」,路徑迂迴重複的方式,「很盟對不隊」尋求最短路徑以節省時間。進入通道前先攜帶正常積木,加上構造設計,在巡視場上9個擺放積木位置時,也能同時更換黑積木、修正閒置太陽能板,一趟就完成任務,帶著黑積木回到出發點。

「我們很期待去俄羅斯比國際賽!」社團創立才短短三年時間,已拿過好幾個科學競賽前三名獎項。社團指導老師賴怡旬說,接下來團隊會一邊募款,一邊努力準備站上俄羅斯國際賽舞臺。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市西苑高中 很盟對不隊 王敬佑、周炫佐、陳仕林
2 基隆市基隆高中 飛帆艦隊 黃品傑、余俊德、劉昱岷
3 新北市私立淡江高中 淡江巴拉布 黃健碩、謝沛恆、洪佩君
佳作 新北市東海高中 南極圈KExE 謝佳霖、林子勛、蔡文傑

大專組

大專組比賽場地上,機器人忙碌的走來走去,3個小基地各有5~6顆紅球、藍球夾雜排列,機器人必須設法讓藍基地只剩下紅球、橘基地只有藍球、紫基地沒有球,而唯一的黃球則要特別挑出另外放置到場中,機器人完成分類後走到終點停下,才算是完成整個任務。

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大專組場地上,機器人忙碌穿梭各基地,將球分類、配送到指定位置。

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機器人正在篩選,設法讓藍基地只剩下紅球。

選手事前並不知道球的顏色分布,要如何制定路線與分類策略呢?面對未知的情況,中興大學隊伍「CTC」設想球的顏色排列組合有27種情況,有些排列順序不同但顏色分布相同的情形可視為同一種,進而簡化成約16種。八強賽前是積分賽,依任務完成情況與花費時間計算,機器人須在球的分類精準度與時間耗費之間拿捏,考量得分規則來擬定策略。嚴謹的策略分析讓「CTC」以859分名列第一進入八強賽,可惜後來因程式失誤而未晉級四強。

大專組前三名都由虎尾科技大學的隊伍囊括。第一名隊伍「A.V.R.」成員沈建均說,他們不考慮時間,因為測試後發現時間差距不會超過10秒,對得分影響有限。在晉級八強賽的得分排名中,虎尾科大的四支隊伍也分別以839、823、791、650的分數緊接中興大學之後。

不少機器人配備地磁感測器,不過「地磁太敏感了,每個小時測量值都不同,前兩天太陽風暴也會影響它。」團隊成員王若庭解釋,今年團隊改用兩顆光感測器感測地上的線。王若庭表示:季節、天氣都會影響地磁感測,一時電流不穩也有可能讓機器人暴衝。由於地磁感測的敏感度過高,因此多數機器人都像好奇號一樣有長長的「脖子」,將地磁感測器裝得高一點,以遠離馬達電池等裝置。

虎尾科大的實驗室此次的四款機器人各有不同策略、路徑與程式。其中「A.V.R.」著重於球的分類精準度,沈建均說「A.V.R.」只考慮兩種情況:「要這顆球或不要。」機器人有個十字結構,視感測結果讓球滾回基地或保留在機器人身上。「A.V.R.」的路線也讓機器人節約路徑,節省重複奔波的時間。

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第一名隊伍「A.V.R.」,由左至右為沈建均、王若庭、黃健祐。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 雲林縣虎尾科技大學 A.V.R. 王若庭、沈建均、黃健祐
2 雲林縣虎尾科技大學 N.M.C. 盧毅民、張絲語、林煒祥

足球賽

足球賽中,每隊都會各準備一臺攻擊機器人與防守機器人,場上會有一顆特製的紅外線足球,場地也有特別的分隔顏色,可以清楚地看出禁區與出界範圍。比賽分為分為上下兩場單淘汰賽,在比賽前有5分鐘的調整時間,可以在比賽桌上進行場地設定與練習。比賽途中機器人若需要離場進行設定調整或是維護的話,必須滿1分鐘後才可入場,這項規定對整場比賽的風向影響很大。

比賽一開始是由兩隊選手進行手動啟動,之後就完全交給攻擊機器人自主進行找球、持球、進攻、閃避和射門等動作。若是雙方機器人僵持不下而導致機器人卡住時,裁判會把兩方機器人分開一段距離。當球滾到界外時,裁判會把球放置到離場中最近的直線距離內,這時候會看到雙方的攻擊機器人以非常快的速度去搶到球的控制權,現場氣氛緊張刺激。防守機器人會一直盯著球不放,其負責的任務就是防止對方射門,也需要特別防止「烏龍球」(不小心踢進己方球門)的發生。在最後計分時如果是平手,「烏龍球」就會是改變勝負的一大關鍵。

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魔法隊獨特的背後開球。

本次四強賽中,有遠從花蓮縣來參賽的「我愛黃海龜」,和臺南市的「我愛第一」,另外兩個隊伍則是同樣都來自臺中的「魔法隊」和「Legend隊」,每個隊伍都有自己一套獨特的進攻方法與戰略。冠亞軍賽為臺中市的同鄉大對決,最後「Legend」使用了特別修改後的程式與穩扎穩打的戰略擊敗了「魔法隊」,奪得冠軍寶座。

「魔法隊」雖然屈居第二,但他們的作戰策略非常令人耳目一新。他們以獨特的背後開球讓人留下強烈印象,賽後詢問了解後,原來這是前幾屆WRO 的規定,負責攻擊機器人的選手為了程式邏輯上的習慣,決定承襲之前的開場方式。攻擊手的進球方式也非常特殊,在八強與四強賽中,他們採用持球到球門正前方再把球射入的方式來作戰。不過在四強賽中曾發生攻擊手不小心被關機的突發狀況,導致攻擊手必須離場重新啟動。

冠軍和亞軍都使用到NXT和新的EV3主控制器,為了因應各種突發狀態,機構都有方便現場臨時更改的設計;電池的部分也都會準備兩顆電池,防止沒電。「Legend」的成員賽前都在學校練習到晚上,也常和各校舉辦友誼賽累積經驗。雖然他們已經連續比賽兩天,忍不住透露出疲勞的神情,但還是非常熱情地分享奪冠的方式,與自己對足球機器人的獨特見解。他們也表示:平常練習機器人足球時最主要是以交朋友的心情進行友誼賽,互相交流增進雙方的實力,撰寫程式時也可以增加自己的邏輯思考能力。他們也期待在國際賽中,臺灣機器人可以打進全世界前五名。

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雙方攻擊機器人在球門前對峙,氣氛緊張。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市立中平國中 Legend 廖偉勝、林弘軒
2 臺中市臺中高工/崇倫國中 魔法隊 陳旻暄、莊勝傑、林承謙
3 花蓮縣國風國中/慈濟附中國中部 我愛黃海龜 陳子濬、鍾安、葉品豐

 

佳作 臺南市大灣高中國中部/崇明國中 我愛第一 葉貴煌、蔣沅均、朱芳霆
佳作 苗栗縣苗栗農工/竹南國中 我不是光頭 張景程、廖家問、韓志昀

創意賽

今年的大賽主題為「機器人與太空」,留給各個參賽隊伍非常廣闊的想像空間,參賽者必須發揮想像力與創造力,思考機器人要如何幫助人類征服充滿未知的外太空。

創意賽採取評審計分制,評分項目有:研究計劃、程式、機器人設計、報告呈現、團隊表現等項目。各個隊伍都分配到一個攤位,並將攤位設計得別出心裁。有隊伍把攤位製作成火星地表;有隊伍把攤位的上空遮蓋住,模擬在太空的情景;也有隊伍使用投影機表現出星空的感覺,創意無限。有些隊伍就連服裝都經過精心設計與製作,正是為了想讓來參觀的民眾與評審能夠更加融入情景。以下將介紹在創意賽國中組中,令筆者印象深刻的幾個參賽隊伍。

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創意賽著重展示與發表,參賽者無一不精心布置攤位,並附上詳盡說明。

來自高雄市的「英明龍華聯合隊」是場中罕見地採用3D 角度在地球上模擬太空環境的隊伍之一,他們的維修機器人可以在白色圓桶(太空站)上移動,卻不會因為地心引力而墜落。其中的原因是他們採用了磁鐵,讓機器人可以吸附在鐵桶上而抵抗地心引力。在照片中,鐵桶上的機器人可以靈活的向任何方向移動,上面還裝置了電動起子,模擬在太空中修理的過程,臨場感十足;下方的機器人雖然只能進行圓形運動,但是其手臂卻可以延伸出去,模擬太空站和太空梭接合,讓參觀民眾嘖嘖稱奇,也順利取得晉級資格。

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「英明龍華聯合隊」的機器人藉由磁鐵的吸力,自由地在白色圓桶上移動。

來自桃園的「旅行者0 號」隊把機器人製作成穿戴式裝置,讓機器人與人類結合。其作用並不是增加力量,而是用來訓練人類的肌力,防止人類在無重力空間停留太久,導致降落在地球時發生肌力不足、無力行走等情形。這臺機器人的使用方式是安裝在身上幫助人類運動,讓人類可以在太空站內部藉由裝置訓練肌力。主講者自己親身示範的樣子十分醒目,讓參觀者都特別駐足聆聽。

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「旅行者0 號」製作出與人類結合的穿戴式機器人。

來自高雄市的「CS 特勤隊」,主題大綱是防護地球的安全。他們不只使用製作好的模組,也把物理課上所學到的知識加入到專題中,成功地靈活運用所學,自行組裝出電磁炮與雷射。雷射的功率可以把氣球射破,因此使用氣球來模擬隕石,電磁炮則模擬太空中負責銷毀垃圾的發射器,把垃圾從地球向外太空射出,讓垃圾自行燒毀。其中電磁炮的電源供應使用了大量的電容與電池,看起來十分有震撼力。

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「CS 特勤隊」的電磁砲主機。

來自新竹縣的「S.K.C」在攤位上建構了一個黑盒子,還有一個充滿程式碼的螢幕,非常有科技感。團隊成員表示螢幕中的程式是自行撰寫的,將樂高與電腦軟體結合,目的是想要模擬飛行背包的飛行。在地球上因為有地心引力,要靈活地飛行並不簡單;為了解決這個問題,他們建構了一個可以靈活運動的機構,並且在盒子中架設攝影機,用場外的螢幕將相機所照射到的景象播放出來。在移動機構方面則採用了齒輪組,降低移動的速度,模擬在太空中獨自飛行所感受的緩慢景象感變。這並不是要製作出一個可以符合現實環境時速的機構,而是從參觀者的角度去設計這個模擬器,可說是匠心獨具。最後他們也因為這個細膩的巧思而如願拿下冠軍。

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「S.K.C」的模擬飛行背包從參觀者的角度出發,模擬太空飛行的感受。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 新竹市光武國中/虎林國中 S.K.C 陳懷平、蘇柏瑄、郭宥成
2 高雄市英明國中/龍華國中 英明龍華聯合隊 涂光毅、紀聖堯

除了上述的國中組外,創意賽國小組由桃園成功國小「奇幻隊」與來自花蓮的「隨星所欲」隊取得國際賽資格。成功國小一直以來都是WRO競賽的常勝軍,過去已代表臺灣參加過多次WRO國際賽事,本次則以「探測小行星——挖礦尋資源」為主題奪冠,創下六連霸的紀錄。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 桃園成功國小 奇幻隊 黃渝桓、朱彥亭、黃信融
2 花蓮東華實小/慈濟附中小學部 隨星所欲 顧懷允、顧崇懷、王子承

創意賽高中組脫穎而出的是來自新北市的「馬首是瞻」隊與臺中市的「G1」隊。「G1」以「太空拓荒計劃」為主題,製作出可在火星上放下植栽室的植栽車。其概念是利用植物的生長來改善火星上的氣體,並提供充足的食物供未來移民使用。車子的前方裝上了影像鏡頭,可透過電腦螢幕看到行駛畫面;另外,也裝上了土壤濕度感測器與溫度感測器,用來尋找適合植物生長的環境。植栽室的部分設計成可自行運作的狀態,安裝了太陽能板與光源感測器,光值偏低時可切換為使用蓄電池供電的模式,並利用土壤濕度感測器感測是否需要澆水。面面俱到的想法使他們從眾多選手中獲得評審青睞,順利得到冠軍。

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「G1」隊向評審介紹他們所構思的「太空拓荒計劃」。

國際賽晉級名單

名次 學校 隊伍名稱 成員
1 臺中市臺中高工/馬禮遜美國學校 G1 林庭宇、林祐正、李泓寬
2 新北市恆毅中學 馬首是瞻 羅冠博、顏緯婷、吳柏毅

總結

在本次的WRO全國總決賽中,不但看見許多別具巧思的作品,也讓我們進一步探索了太空科技的可能性。雖然有些專題乍看之下可能會覺得「這有可能實現嗎?是不是有點太理想化了?」但在科學技術突飛猛進的現代,任何創新的想法都有可能成為前進的助力。而在臺灣,實際上也有許多人正在為發展本國的太空科技而努力著(如前面專訪中所提到的ARRC火箭隊),希望每次的比賽都能播下一顆顆會在未來發芽的種子,推動臺灣的科學產業;同時,也期望臺灣代表隊能在俄羅斯國際大賽中取得佳績,讓世界看見我們的機器人實力。

比賽成績公布

http://www.era.org.tw/main/news/

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2014/11月號

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