VEX机器人工程挑战赛竞赛比赛策略分析

◇兰州市第十四中学 王 焱

近年来，科学技术迅猛发展，对人类社会的政治经济产生了深刻的影响。机器人竞赛活动作为一项独具魅力的、能激发青少年科学兴趣的科技活动，在国内发展迅速。本文尝试去探寻竞赛模式下的中学VEX教学，从而为以后的VEX机器人活动开展提供思路。

1 VEX机器人竞赛现状

VEX机器人大赛又称VEX机器人世界锦标赛，是一项旨在通过推广教育型机器人，拓展中学生和大学生对科学、技术、工程和数学领域兴趣，提高并促进青少年的团队合作精神、领导才能和解决问题能力的世界级大赛。每年4月份的世界锦标赛当中会发布新的赛季规则，参赛者根据比赛规则来设计机器人结构、编写机器人操作程序、进行项目解读及管理，并以竞赛形式来培养学生的创新能力和综合实践能力。机器人技术作为前沿技术得到快速的发展，以LEGO、VEX等设备为代表的机器人教育在当下已经成为一种趋势，通过对国内VEX竞赛参赛队伍组成人员的调查统计发现，VEX机器人教育一般在学校以竞赛课外小组的形式存在，虽然有部分校外机构同样引进了VEX机器人设备进行校外培训，但整体比赛仍以学校作为依托。在学校的机器人社团内每只参赛队都有不多于四名同学参与并各有分工，社团内的队伍既有交流又有竞争，这样的形式符合机器人跨学科重实践的特点。

本文尝试去探寻竞赛模式下的中学VEX教学，从而为以后的VEX机器人活动开展提供思路。

2 中国青少年机器人竞赛比赛模式

中国青少年机器人竞赛于2007年引进了VEX机器人工程挑战赛，比赛规则与VEX世界锦标赛规则有所不同。参赛队伍训练时应该特别注意规则的区别。

VEX机器人工程挑战赛以参赛队组成“联队”的方式比赛，红、蓝联队同场对抗。比赛分为自动比赛与操作手控制两个时段，总时间为120秒。在自动比赛时段，机器人需由预先编制的程序控制自主运行，不能人为操作；在操作手控制时段，参赛队员用遥控器控制机器人的运行。

中国青少年机器人竞赛中的VEX机器人工程挑战赛分小学、初中、高中三个组别进行比赛。从2014年比赛开始，每个组别比赛开始前，抽签确定自动比赛时段的时长。参赛队必须在比赛现场编制或修改程序，这将使比赛更具有挑战性，也考核了学生的编程和应变能力。

3 VEX机器人竞赛活动设计与实施

基于任务驱动的竞赛模式将VEX机器人作为技术和团队协作工具与学生的创新教育相结合。在这种模式下的竞赛教学，不是按照传统教学模式中，教师按部就班对书本上的知识进行讲授，而是以任务为中心，寻求解答为驱动力，从而来激发学生主动学习。

3.1 基本搭建技巧

VEX机器人工程挑战赛的参赛队伍需根据比赛规则来搭建一台机器人。机器人的结构通常包括底盘驱动装置、抬升装置、拾取得分物品装置三部分。机器人搭建完成后，先要按照比赛规则中的相关规定进行自查，并对不合规定的地方进行修改，以保证参加比赛时顺利通过赛前的全面检查，还要特别评估机器人结构的稳固性，以保证自己的机器人能够经得住多场激烈的对抗赛。

（1）常用底盘结构。

底盘是用于驱动机器人行走及承载其上别的结构的装置。从使用效率和牢固性能角度考虑，一般的底盘设计多以矩形框架为主。在矩形的边沿安装轮子和电机等动力装置。有一些常用的组合方式。

实心胶轮组合的特点是轮子抓地性好，驱动能力强，不易被其他机器人推动，相对来说适合做防守型机器人。4轮实心胶轮组合优点在于结构简单，易于制作；前进后退的方向上轮子抓地性好，因而能提供较大的驱动力；不易侧向打滑；缺点是原地转动灵活性差。6轮实心胶轮组合与4轮相比多了一对轮子，在承重能力上更好；前进后退的方向上提供更大的驱动力；不易侧向打滑；缺点是原地转向灵活性比4轮结构还要差。

全向轮组合的特点是轮子抓地性虽然不及实心轮好，但转向迂回非常灵活，相对来说适合做进攻机器人。4轮全向轮的优点在于结构简单，易于制作；转向非常灵活，机动性高；缺点是侧向摩擦力小，静止和行动中都非常容易受到碰撞干扰；前进后退方向的驱动力较小。5轮全向轮组合在底盘中央增加了一个垂直方向的轮子，在不损失正向驱动力的情况下，让机器人能不需要转向即可水平移动。

麦克纳姆轮组合的特点是既能提供较强的驱动力，又有高度灵活性。由于结构限制，麦克纳姆轮与地面接触上仍然不及同尺寸的实心胶轮，因而驱动能力上相对较弱。

（2）机械臂结构。

机械臂通常有两部分，一部分为抬升装置，一部分为获取得分物品装置。

抬升装置用于将获取得分物品的装置抬升到一定的高度。有以下几种类型，单关节型一般通过多级齿轮减速或气动元件驱动主关节，其结构简单，简洁牢固，易于制作，但抬升高度有限；升降平台型容易获得较高的抬升高度，但整体的牢固性差。升降梯型利用齿条作为驱动结构件，与单关节相比能获得更高的抬升高度，同时保持了结构紧凑和牢固，但结构较为复杂。复合型结合了单关节型和升降平台型的优点，驱动结构简单，容易获得抬升高度，兼具牢固性，但结构较为复杂。

获取得分物品装置是将场地中的得分物品抬起并运送到得分区域内，因得分物品的外形及材质不同，可能采用的获取方式就不同，所以需根据实物决定使用什么样的获取装置。有以下几种类型，夹子型结构相对简单，夹持力较大，适合单个、体积较大的物品。铲子型结构简单，适合收集体积较小，数量较多的物品。吸取型采用两条相对固定的链条或履带为基础，在其上捆扎扎带或固定橡胶垫、橡胶轮等材料而成，抬取和释放速度都比较快。

3.2 竞赛策略分析

竞赛技巧需要通过长期的训练和机器人的搭建中摸索，可以从以下几个方面着手。

适当增加工具，除了VEX机器人套材所配备的工具外，还可以增加一些工具，如铁皮剪、钢锯、角磨机、砂轮机、手电钻、电动螺丝刀等，这样搭建机器人时会比较方便。工作时，一定要确保每个人都佩戴防护眼镜。

集思广益，需要让队员了解每一项规则，然后开始讨论，如果没有讨论就急于开始搭建机器人，可能会错过一些好的策略和设计理念。将团队所有的战略和设计思路都列出，然后将其分类为“需要的、想要的、希望的”。如果团队有时间来完成“需要”的类目时，仍然能够保持你们的项目具有竞争力。如果时间允许，团队可以试着去完成列表中的“想要的”和“希望的"类目要求。这仅仅是许多可行的集思广益的过程之一。

搭建、测试、修改、完善，充分讨论后，总结得出可能实现的结果，并开始搭建机器人。这个过程需要不断地测试和修改设计，实际上这个过程团队会花很多时间。在修改过程中，鼓励成员按步骤以从简到繁的方法来一个一个修改，这是一个反复的过程，直到机器人系统达到了预期的效果。当完成修改测试新的编程代码后，请以新的文件名保存新的代码。编程文件都很小，几乎不占用硬盘空间,因此还需建立一个 规范易懂的命名规则以及及时保存你的程序到一个指定的硬盘位置(系统盘外)。因为你永远不知道机器人或计算机什么时候会无法正常工作，所以到时会后悔没有重新创建运行良好的程序。搭建、修改和编程阶段可能都会碰到一些困难，这些困难可能从来没有想到，尤其是在早期的修改过程中，应把一个“失败”的设计作为学习和尝试的方式,告诉所有团队成员,并集体反复讨论，让所有成员从中都能学到一些有用的技能及一些人际交往能力，这对每一位成员都很重要。

训练流程，VEX机器人的特点是技术难度较大，同时对队员的个人操作水平要求的高。所以对于刚开始认识VEX项目的学生，一般遵循“ 先易后难、循序渐进”的原则，分步骤安排训练内容。第一阶段，给学生设置任务，尝试让学生自己搭建VEX机器人，达到熟练使用工具和器材的目的。第二阶段，安排编程练习，尝试让学生自己完成自动时段的程序设计并结合硬件搭建，设计出自己的完整方案。第三阶段，由于规则增加了自动时段的时长及得分物品位置的变化，加强了对学生自身设计能力的考验，因此学生临场的随机应变尤为重要。这一阶段设置不同的比赛变量进行模拟赛,组织学生进行联队对抗，包括内部对抗，以熟练掌握必要的技术细节。如果有可能，联系其他学校的队伍开展交谊赛，进行切磋交流。在训练过程中，教练员们会发现有的学生比较擅长和喜欢硬件搭建、而有的学生则偏爱编程。因此，发现和培养学生的特长，并将其有机组合成小组，能起到很好的合作效果。

人才梯队，为保证训练效果及人才梯队建设要做好队员的选拔工作。以初中阶段为例，正式队员由初二学生担任，后备队员由初一学生担任。在整个训练过程中，初二学生可以承担指导新队员的任务。不仅仅是让教练员省了些劳动，重要的是让学生在教的过程中学习如何归纳总结和传授技术。

4 结语

本文针对VEX工程挑战赛竞赛所具有的实操性特点，结合比赛实际情况，能够让学生从各个方面将学到的知识进行应用，使学生有较高的学习兴趣，能够调动学生自主学习的积极性，能够让学生不止止步于理论层面，而是转为理论与实践相结合，通过机器人的搭建、程序的编写也能激发学生的创新意识，培养综合实践能力记忆团队协作能力，对自己未来的规划也更加明确。