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1-2018
編程機器人是現在的大熱門，怎麼帶娃玩？從哪兒入門？怎麼入門？逃爸帶逃逃和幾位小夥伴組成的團隊玩瞭小半年，今天請他來給大傢分享下經驗心得。稍微需要提醒下大傢的是，理工爸爸寫怎麼玩編程機器人，文章幹得有那麼一點點噎。不過，如果你正在陪娃玩，或者在不久的將來打算開始帶娃玩，是蠻值得參考的一篇技術帖。
逃媽的話
帶著六位小朋友經過半年的準備，終於在上個月試水瞭第一次 FLL，也就是俗稱的樂高機器人編程比賽。這篇文章趁熱打鐵，聊聊針對孩子的機器人編程。
我們參加的 FLL，是 First Lego League（中國官網翻譯成 " 工程挑戰賽 "）的簡稱。這是一個針對 9~14 歲孩子團隊合作的全球性競賽，主要考察 3 個項目，機器人比賽是其中之一。這個項目需要使用樂高的 MINDSTORMS EV3 組件，制作出機器人，並完成若幹個指定任務。這是最低級別的機器人編程比賽，面向的孩子年齡最小，要完成的任務也最簡單。（其實還有一個面向 6~10 歲小朋友的 FIRST Lego League Junior，FIRST 樂高聯賽兒童賽。不過這個比賽和機器人沒多大關系，孩子隻需要為一定的目標用樂高設計和搭建好場景，並通過制作海報來向評委展示自己的作品就好。） 在 FLL 之上的級別叫 FTC（First Tech Challenge 科技挑戰賽），針對 12~18 歲，再往上叫 FRC（First Robotics Competition 機器人挑戰賽）, 針對 14~18 歲。當然再往上還有針對成年人的機器人俱樂部，那就更專業瞭。
聽一位行內的師姐說，這三五年參加 FLL 的隊伍呈井噴式增長。就我們所在的達拉斯地區，三年前的比賽就百來個隊，隻需要比一天。而今年這次比賽有 400 多個隊伍，3000 多個隊員，需要連續比三個周末才能比完。而且除瞭上面提到的 First 系列，還有很多其他的針對孩子的機器人比賽。 比如世界教育機器人大賽 WER， VEX 機器人大賽等等，這幾年增長都挺快。我還納悶為什麼機器人編程突然這麼火，不過想想也是情有可原。人工智能眼看就要秒殺人類，機器人進入千傢萬戶的時代是呼之欲出。讓孩子們從小就熟悉機器人是怎麼創造出來的，就是和時代接軌。 以後當人類被機器人統治的時候，也算是知已知彼，不會太不習慣 ^_^。
《紐約客》去年一期的封面漫畫：
人類向機器人乞討
下面是我理解的孩子的機器人編程，看看他們該怎麼和時代接軌，迎接未來。
什麼是機器人編程
首先，什麼是 " 機器人 "？ 這個概念其實挺模糊。第一感覺，" 機器人 " 不就是機器做的人。可除瞭電影裡的變形金剛還算夠格，那些生活裡的掃地機器人，聊天機器人，和流水線上的裝配機器人，哪裡有 " 人 " 的影子？想想 " 機器人 " 就是翻譯界的通假字吧，是 Robot 這個詞一開始就翻譯錯瞭，隻不過將錯就錯下去，直到大傢見怪不怪，直到在 " 機器人 " 的展臺上放隻機器豬大傢也不覺得有任何違和感。 所以，為瞭避免歧義，這裡有必要先把本文中的 " 機器人 " 究竟是什麼明確一下。
本文提到的 " 機器人 " 是指可以通過重構改變硬件，通過編程改變軟件的可編程機器人。它包含的部分如下：
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硬件
1. 基本組件。就好像我們常見的樂高玩具，包含各種形狀的小組件，可以拼成不同的形狀。 這會是機器人的身體。
2. 傳感器。這是機器人的眼睛和耳朵，用於獲取外界信息。常用的有獲取旋轉角度和速度的陀螺儀，獲取顏色或反光度的光線傳感器，獲取外界觸碰的觸碰傳感器等等。聽上去很高大上，其實最便宜的智能手機裡都有。
3. 馬達。這是機器人的手和腳，肌肉和關節。所有的位置改變都靠它。
4. 控制器。這是機器人的大腦，決定機器人的行為。 通過和傳感器連接獲取輸入，通過和馬達連接控制輸出， 通過和電腦連接將程序註入。 此外控制器可以接收遙控輸入，還可以有圖像或者聲音的輸出。
下圖是樂高 EV3 系列中的觸碰傳感器，馬達和控制器。傳感器和馬達不止一個，這裡隻是取瞭一個舉例子 。
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軟件
一段程序，在電腦或 Pad 上編寫，拷入控制器後執行。執行的程序可以獲取傳感器的輸入數據，也可以控制輸出。程序本身用的是可視化的編程語言，極易上手。
機器人編程，就是用硬件構造一個身體，用程序給它一套邏輯，利用它的傳感器和馬達，完成一系列的任務。
針對孩子的機器人編程組件，市場上已經有很多。這些組件都包含上面的軟硬件要素，讓孩子從零開始，實現初步的機器人編程。最流行的編程組件估計是樂高的 Mindstorm EV3，和國產的能力風暴 Abilix。兩個國際性的機器人編程大賽（FLL 和 WER）分別是以它們為基礎。他們其實很相似，要說區別，我覺得主要是下面幾點。
1. Abilix 的組件要比樂高的大一圈，可能因此覺得樂高的要精致些。
2. 樂高裡的組件都是標準化的，也就是說樂高海量模型裡的組件與 EV3 是兼容的。而 Abilix 專業做編程機器人，隻有針對機器人的模型，其組件的選擇肯定要少些。
3. Abilix 的組件大多是兩維可連接，而樂高隻有一維。應該是材料學的進步，讓兩邊開口還能保持一定的強度。下圖可以看出，同樣的一個 L 型組件，樂高（白色）一邊開口，Abilix（黑色）兩邊開口，這讓搭建的選擇會更多些。
4. 都是可視化編程語言，但設計不同。Abilix 用的是業內標準的 Scratch 兒童編程語言，而樂高是自己的設計。倒是都挺好用。
如果想讓孩子嘗試機器人編程，我建議如果不差錢懶得挑，就選樂高的 EV3。如果走性價比，就選 Abilix。如果想讓孩子參加某個競賽，那就看人傢指定的是哪種。
機器人編程啟蒙
第一次做機器人的孩子大都挺失望。他們本以為機器人就像童話裡的陶瓷姑娘，給她撒上金粉，念段咒語，就可以開心的跳起舞來。可後來發現，自己搭出來的機器人即不美麗也不神秘，而即使這樣的機器，搭建是異常復雜，軟件實現也是相當困難，而且經常掉鏈子很不靠譜……哦，怎麼說呢，孩子們，歡迎來到真實的世界，歡迎換個視角來觀察問題。
用工程師的視角來看待問題，是做機器人給孩子的最大收獲。機器不通人情，不會因為你的努力而通融，不會因為你的才華而動心。和它打交道，就得按照它的方式來，沒有捷徑。孩子完全不缺想象力，缺的是想象力和現實世界的妥協，不知道心中炫酷的想法如何一步一步實現。我想說，在機器人面前，把藝術傢的天馬行空暫時收起來，換用工程師的嚴格和腳踏實地來看看這個世界。
下面分別從硬件、軟件和設計三方面來說說如何指導孩子做機器人編程。
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機器人硬件
就樂高機器人的搭建來說，以前那些按照說明書搭建起來的樂高模型，都是浮雲。逃逃和我以前搭過幾十套模型，想想也算業內資深人士，可扔掉說明書開始搭建機器人的那一刻，完全抓瞎，一些基本的需求以為很簡單，可自己就是沒法實現。那幾十套的搭建經驗，遠不如一個早上系統學習的收獲大。 下面是我覺得需要系統學習的兩點：
1、熟悉基本組件和基本技巧
知道你擁有什麼，才知道你可能做出什麼。對基本的組件非常熟悉，做的時候才能得心應手。以樂高裡最常用的兩個單位長度的連接件為例。長度一般模樣類似， 為什麼會有不同的顏色，僅僅是為瞭讓做出的東西更多彩嗎？其實，不同的顏色後面是不同的功能：黑色的連接是圓口有摩擦的，白色的是圓口沒有摩擦的，藍色的是一邊十字口一邊圓口有摩擦的，紅色的是兩邊十字口的。 熟悉這些連接件，才能知道你可能做出怎樣的擴展， 才能輕松的找到那個你需要的。
除瞭基本的組件，還需要知道搭建的基本技巧。比如說我們經常需要將兩條長梁或平行連接， 或垂直連接。每種需求可以用哪些連接件以怎麼的組合實現？不同的方式有何不同，又有何優劣？ 這些技巧給你實現需求的最好的方式，讓你事半功倍。這裡推薦一本書《The Lego Mindstorms EV3 Discovery book》，主要講的是 EV3 的軟件編程，其中有兩章講瞭硬件基礎，不長，很實在。有興趣的朋友歡迎看看。
2、熟悉齒輪
機器人的動力系統，是搭建在電機和齒輪之上。 電機提供動力，而齒輪可以改變旋轉的速度，方向和力矩，也可以改變力的形態，將動力以不同的形式傳遞出去。電機和齒輪一起，構成瞭機器人的動力基礎。
電機的應用很直接。要麼連著輪軸直接旋轉，用麼連上齒輪將力轉化或傳遞出去。 而齒輪是有點難的，要用到一點點數學，瞭解一點點杠桿，最好還需要明白力和力矩的概念。不過下點功夫去理解齒輪，也就能瞭解真實世界裡很多機械背後的原理，逃逃就趁著這個機會學習瞭汽車裡的變速箱，這可是很劃算的。
樂高裡的齒輪大體分正面齒輪，側面齒輪和蠕蟲輪。組合起來的用法很多，建議多做些簡單的練習，打好基本功，熟能生巧，到時候信手拈來。 下面是逃逃和我做的幾個例子（基於 EV3）.
1. 招財手
2. 打樁機
3. 正面齒輪傳動。 最右邊的齒輪帶動左邊兩個黑色齒輪轉動，它們方向相反。
4. 側面齒輪傳動。 黃色齒輪帶動兩個黑色齒輪以相反方向轉動
5. 蠕蟲齒輪
6. 簡單的變速箱
硬件有瞭，再說說怎麼去做軟件。
機器人軟件
編程無外乎就是收集信息，做出反應。那麼機器人的輸入和輸出是什麼，它可以收集哪些信息，做出什麼樣的反應，又能實現什麼樣的邏輯呢？
1. 輸入設備：傳感器
機器人通過傳感器來收集信息。 瞭解傳感器，就是瞭解機器人觸碰世界的能力。常用的傳感器比如檢測顏色和反光度的光線傳感器；探測離障礙物距離的超聲波和紅外線傳感器，測量旋轉角度和速度的陀螺儀，等等。軟件裡面有專門的模塊去獲取傳感器的數據，很簡單。
2. 輸出設備：電機
機器人通過電機做出反應。再復雜的動作，都是通過對電機實現，無外乎就是轉的快一點，慢一點；正著轉或者反著轉。 有些機器人還能顯示圖像，聲音，也算是對外界的輸出吧。
3. 編寫程序
和很多面向孩子的編程軟件一樣，機器人編程平臺提供的編程模塊很豐富，操作起來也很簡單。全程用鼠標拖拽，再改幾個屬性即可，很適合孩子上手。 軟件裡眾多的要素，比如循環，函數，條件判斷，邏輯計算，甚至很高級的數組，多線程等等，它都支持，而這足以支撐起一個復雜的程序，實現復雜的編程思想。機器人編程這個主題可是夠寫幾本書，開一門課，或者設一個專業，建一個博士後流動點什麼的。這裡就不細說瞭。
下面是個小例子，程序通過光線傳感器檢查地面的反光度得到顏色，根據地面是白色還是黑色控制兩邊的電機讓機器人左偏或右偏，以實現機器人沿黑線走的功能。這是最後的效果，截瞭一小段，大傢看個意思。
4. 機器人編程和純軟件編程的區別是什麼？
純軟件是個虛擬的世界，簡單而完美。而真實世界太復雜瞭，並且總有意外。 因此就需要更健壯的軟件去化解這些復雜，處理這些意外。
舉個例子來說明下硬件編程有多復雜。假設我們已經搭建好瞭一個通過兩個電機做輪子驅動的機器人，我們看看如何編程讓他實現 " 直行一米 " 這個在軟件裡一行代碼就可以搞定的事。可能聽上去會有些專業，但沒辦法，這是最簡單的機器人編程都需要考慮的問題。
第一，因為著地點摩擦力不均以及電機微小的偏角誤差，走直線的命令在實際中會產生偏差。走的越遠，偏差越大。因此走直線需要通過陀螺儀校準，因為它可以記錄機器人偏轉的角度。在出發前將陀螺儀清零，在行進時根據偏轉的角度不斷進行調整。 調整的角度需要和偏轉的角度相關，偏的越少，調整的也越少，這樣可以盡快調正方向，又可避免矯枉過正走成之字形。
第二，程序上寫的 1 米，可機器人並不會真的走 1 米，肯定會有誤差。機器人停下後要檢測輪子實際行進的距離， 多退少補再做微調。如果調整後陀螺儀顯示方向有偏，再做調整確保機器人無偏， 調整的距離就是無法消除的誤差。
第三，電池的電量會影響電機的準確度，進而影響行進的距離，速度以及偏角。 要想每次運行的結果完全一樣，要麼保證運行時的電量不能差別太大，要麼根據電量的多少對行為進行補償。我們測試時發現機器人在運行兩三個小時後行為就開始出現偏差，就得充電瞭。
第四，機器人會偶爾出現死機，讀數不準等硬件錯誤。比如我們發現 EV3 的陀螺儀有時候會突然出錯，在靜止狀態下讀數也會改變，必須重啟機器人才能恢復。控制器本身可能會死機，也必須重啟才能恢復。
做軟件測試，一次通過次次通過 。而機器人，前 5 次都成功瞭，第 6 次還是需要祈禱才行。 復雜的世界，需要復雜的程序讓他去實現簡單的事。我想這也是機器人編程教給孩子很重要的一點。
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機器人設計的原則
軟硬件都打瞭點基礎，現在有資格說說機器人的設計要註意什麼。
1. 專註於需要完成的任務。沒有規定機器人一定需要做成什麼樣子，得具備什麼樣的功能。不管黑機器白機器，能完成任務的就是好機器。機器人的設計隻為這個目標服務，其他都不用考慮。
2. 盡量簡單。和所有事一樣，越簡單越不容易出錯，每一個部件都應該是有用的為目標服務的，否則就把它扔掉。孩子們喜歡給機器人加許多花哨的裝飾，想象力應該用在怎麼樣做的更簡單，每一個裝飾都是有代價的。
3. 他山之石可以攻玉，網上資源很多，看看其他人是怎麼做的。
對於一個有 10 多年編程經驗的理科生來說，熟悉最初步的機器人編程都需要時間，何況一個孩子。所以機器人編程必須要有大人的引導，希望你也有興趣，能帶著孩子一起用工程師的視角去看看這個世界。能想象十年之後我們身邊會有多少機器人嗎？今天孩子們完成的那個簡單的任務，也許就是一個偉大的開始。
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作者：逃媽，坐標美國達拉斯，分享原汁原味的美式教育理念和實踐資源。
