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机器人时代已经兵临城下,伟志机器人俱乐部帮助您厉兵秣马

No.1 前言

作为科技文明的一大推动力,人类的幻想从来没有停止过。

然而,有趣的是很多幻想在刚刚出来的时候总是被人们根据自己的常识否定。突然有一天呈现在我们眼前时,让人惊慌失措。

1984年的电影《终结者》中机器人给大家留下了冷酷而深刻的印象,但是当时很难相信场景会出现在我们的有生之年。

而2016年Boston Dynamics展示了Atlas做的三连跳、后空翻等一组高难度动作以后,让人惊呼终结者时代到来了!

相信有人能看出来,机器人Atlas只是完成了一些复杂的机械运动,距离《终结者》的水平还差得远呢!终结者之所以可怕不仅仅是因为刚健而敏捷的肢体,更是因为其高度发达的思维和判断能力,即人工智能(Artificial Intelligence,AI)。

那么人工智能(Artificial Intelligence,AI)的发展速度又是如何呢?

很多人都有过和人工智能互动的体验。比如问苹果手机Siri今天天气,让亚马逊的Alexa给你播一首歌,或者是人脸识别通过了检票站等等,这些都是人工智能的应用。

2015年的电影《机械姬》(Ex Machina)对人工智能的未来进化进行了一次推演。当人类的逻辑推理变成了指令集,那就意味着机器人也拥有了一个正常人所有的思维。人类所拥有的智慧、知识、情感、自我保护、求生意识都会被机器人所继承。

现实世界里,同样在2015年由香港的汉森机器人技术公司(Hanson Robotics)研发并激活的机器人索菲亚(Sophia)集成了人工智能、视觉数据处理和面部识别功能,以及来自Alphabet公司(Google的母公司)的语音识别技术。索菲亚可以模仿人类的手势和面部表情,并能够和人类进行会话交流。

2017年的10月,沙特阿拉伯给索菲亚办了一张公民的护照,这是人类历史上第一个机器人公民。

设想一下,如果把索菲亚的人工智能程序装载到了机器人Atlas身上,就像孙悟空拿到了金箍棒,强大的人工智能机器人就会诞生了。

所以当Corridor Digital公司以Atlas为原型制作了如下的小电影之后,让很多人惊呼终结者时代已经到来。很难再有当年吃着爆米花,看《终结者》电影时的那种平静的心情。

《New Robot Makes Soldiers Obsolete》 (Corridor Digital) 片段

机器人时代已经兵临城下!

No.2 机器人发展

其实,前面的介绍只是机器人行业的冰山一角。

随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点,人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器,如移动机器人、微型机器人、水下机器人、医疗机器人、养老机器人、教育机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。

对不同任务和特殊环境的适应性,也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状,更加符合各种不同应用领域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。

面对新的时代,如何尽早接触机器人呢?

No.3 机器人比赛

机器人比赛最早出现于1970年代。 目前在各个领域有越来越多的比赛,例如Robocup和Robo One是两个单项赛事。同时,乐高和VEX等公司也开发了自己的品牌赛事并称为联赛。

机器人比赛有很多种类型,比如按室内与室外、指定品牌(LEGO或VEX)与开放材料、未成年人/学生与专业人士、人形,带轮,空中,水上,水下等等。

下面列举在全球或地区性有重要影响的比赛。按创始年排序。

名称 品牌 学生/职业 创立 简述
FIRST Yes (Lego) Students 1992 国际大赛
BEST Robotics No Students 1993 美国学生大赛
Robocup No Both 1997 组织类似于FIRA
FIRA No Both 1997 亚洲组织,于Robocup竞技
Battlebots No Pros 2000 美国电视节目
Robo One No Both 2002 亚洲人形机器人比赛
ABU Robocon No Students 2002 亚洲组织,类似于FIRST
World Robot Olympiad Yes (Lego) Students 2004 类似于Lego和Vex,品牌限制少
RoboGames (Robolympics) No Both 2004 美国国内知名比赛
VEX Robotics Competition Yes (VEX) Students 2007 国际大赛
RoboParty Yes (botnroll) Students 2007 教育活动(比赛中搭建机器人)
RoboMaster Yes (DJI) Students 2015 基于中国的国际大赛
MakeX Yes (Makeblock) Students 2017 基于中国的国际大赛

如何选择适合自己年龄的比赛作为切入点是个关键。

在如此繁多的机器人比赛中,根据当前的流行程度,我们这里介绍一个在小学和初中青少年中影响力比较大的FIRST LEGO LEAGUE (FLL)。

FIRST LEGO League 简称FLL是FIRST机构与乐高集团组成的一个联盟组织针对9到14岁(加拿大美国以外上限到16岁)孩子的国际比赛项目。每年八月初向全球参赛队伍公布当年度的挑战项目。这个项目鼓励孩子们用科学的方法去调查研究以及自己动手设计机器人。孩子使用乐高的积木在教练的指导下为机器人进行设计,搭建、编程来解决现实世界中的问题。赛季的高潮是举办一个运动会式的比赛。

2019-2020赛季,FLL在全球110多个国家和地区共举办了2000多场比赛,超过67,000个队伍参赛。随着孩子年龄增长,FLL大赛还有后续年龄段的高阶比赛。具有系统性和可持续性。

FLL大赛的任务多样化,在场地上有多个不同形式的得分点。机器人不能使用遥控,需要由程序控制完成。更适合把任务细分到不同的队员,使每个人都可以参与机器人的搭建和编程,得到锻炼。

No.4 伟志机器人俱乐部介绍

围绕着宗旨PLAY,LEARN,SHARE,TEAM WORK,和FUN。俱乐部以参加FLL等机器人大赛为驱动力,开展了多种寓教于乐的活动。

孩子们专心致志搭建机器人的过程中,饱含了许许多多的学习。我们提供的是培养孩子们独自思考、独自学习的教育方式。自己动手,开动脑筋,把想象中的东西转化为有型的东西。引导孩子的个性,注重培养创造力。并逐渐自然的学到理科的知识(STEM)。

俱乐部不仅注重在STEM方面的教育,同时也注重队员们的综合素质教育。在教练们的指导下,队员们研究社会问题,比如帮助无家可归人群提供能够接受的住宅方案等。队员们通过调查研究,提出自己的解决方案,作出模型和实验,并向不同的专家做路演,接受专家们的点评和反馈,再进行改进。在这样的过程中,队员们的解决实际问题的能力得到了锻炼。

机器人队员到Johns Creek市政府给官员分享自己的城市规划项目并听取反馈

除了自身素质的培养外,俱乐部还注重回馈社会、为队员们提供机会分享参加机器人活动的乐趣和经验。仅2019年,俱乐部队员在不同的中小学校及公共场所做演讲20多场,受益的中小学生达600余人。

队员在公立学校分享机器人

队员到乐高夏令营给营员们分享自己的比赛经历

机器人队的日常训练

在平时的训练过程中,团队精神通过一些小游戏得到巩固和发展。

下面是州决赛中的片段。比赛已经临近尾声,双方都在争抢制高点。

首先是右侧的黄队机器人缓缓开始登桥。教练开始低头祷告,所有队员屏气凝神。

机器人不负众望,率先登上桥头,压下了小红旗得分。黄队的队员开始沸腾,教练释怀的开始鼓掌。左侧本俱乐部的黑队机器人出发落后,可以看出队员们的无形压力。

然而比赛仍在继续,仅仅数秒之后,黑队机器人稳稳地冲上了桥头,压下了得分的小红旗,并把黄队的机器人推下了桥。

这一逆转让黄队队员和教练的表情瞬间凝固了。连右侧裁判都惊愕的合不上嘴巴。随之而来的是黑队队员的欢呼雀跃。

规则是按比赛结束时间点的状态计分,所以登桥夺旗的分数由黑队获得。精彩刺激可见一斑。

令人紧张而激动的比赛时段(State Championship)

获奖时刻

No.5 主教练介绍

俱乐部主教练张伟

俱乐部主教练张伟博士在中国电子科技大学(UESTC)取得机械电子专业的学士和硕士学位,硕士期间代表学校参加中国中央电视台主办的首届全国大学生机器人电视大赛。在32支全国重点高校代表队中,取得小组第一名,并在复赛中以独到的战术赢得了最佳策略奖。

首届全国大学生机器人电视大赛电子科技大学代表队(前排左二:张伟)

首届全国大学生机器人电视大赛比赛场景

首届全国大学生机器人电视大赛参赛证书

之后留学日本,在国立香川大学攻读智能机器人专业并取得博士学位。

毕业后就职于一家跨国公司产品研发总部。张伟博士的思维的创造性和严谨认真的态度得到了进一步发挥。连续数年获得公司的产品研发一等奖。工作成绩引起了日本政府的重视,获得日本国家电子电气工程师协会(IEEJ)颁发的技术革新奖。

之后以海外杰出人才身份移民美国,张伟博士积极活跃于国际电子电气工程师协会(IEEE)的活动,作为机器人与自动化(RAS)、电力能源(PES)等分会会员参与国际行业标准的编订工作,并完成了多项IEEE国际标准的修订。

2019年晋升为该协会的高级会员(IEEE Senior Member)。

国际电子电气工程师协会高级会员

2018年初次接触FIRST乐高机器人大赛(FLL)后,开始注重机器人在儿童教育领域的应用。致力于团队的机器人训练,并于当年取得小组总冠军。

2019年成立伟志机器人俱乐部,带领两支队伍参加FLL比赛。在小组赛(Regional)的36支队中机器人得分排名第一和第三,综合成绩小组冠军。

在复赛(Super Regional)的36支队中机器人得分排名第一和第二,机器人设计奖和综合成绩小组冠军。

在佐治亚州的决赛(State Championship at Athens Academy)的32支队中机器人得分排名第三和第九,并分别获得Research Award和Gracious Professionalism Award.

2019年度FLL City Shaper赛季俱乐部所获奖杯

主教练张伟于2020年初顺利通过FIRST机构的裁判考核,获得FIRST LEGO LEAGUE (FLL)机器人大赛裁判证。并多次参与FLL大赛的机器人比赛裁判活动。

FIRST LEGO LEAGUE (FLL)机器人大赛裁判证

No.6 课程介绍

厚积方能薄发。俱乐部拒绝刀枪入库马放南山。每一个赛季的结束就是俱乐部练兵的开始。

本着缺啥补啥的原则,俱乐部为学员们开设了不同的学习班,为下一个赛季充电。

前面提到的机器人是由程序和机构两部分构成。这两部分就像人的两条腿,相辅相成缺一不可。课程主要分为机器人编程班和机器人搭建班。同时为了以后初高中年龄段的机器人比赛打基础,还开设有3D设计和打印班。

【机器人编程】

学习机器人编程,首先需要清楚机器人3要素:

  1. 输入模块(传感器)
  2. 控制模块(控制器)
  3. 输出模块(电机,显示,声音等)

这是机器人编程区别于普通的编程(比如scratch等)的关键之处。通过传感器对周围环境进行检测,数据汇报给控制器。再由控制器中编好的程序决定机器人对外界环境应该做出的反应,比如控制电机转动,或控制光电显示输出等。

实验和观察的内容也更加深层,机器人编程不仅可以学习普通编程中的常数/变量/循环/选择/指针/子函数等基础的编程技巧,同时还可以学习触发传感器、光电/色彩传感器、陀螺定向传感器、超声波传感器的工作原理,如何使用不同的传感器来改变机器人的运动。可以软件和硬件相结合的系统学习。

实体机器人编程班公开课

在传统的实体机器人教学中,受制于动辄数百美元的价格,通常是几个孩子共享一台机器人。为了让更多的孩子能有机会接触机器人。本俱乐部从2020年暑假开始尝试使用仿真平台进行机器人编程教学,并取得了良好的效果。

新的教学环境突破了传统教学对实体机器人的依赖,使得每个孩子都可以拥有一个自己的机器人。

同时在仿真环境中,不再局限于传统教学中枯燥地在小桌子上设定各种任务。仿真环境中机器人的任务更加丰富多彩,场景多样化,每个任务都是在新的环境里进行不同地挑战。让孩子在学习过程中始终保持新鲜感。

不同任务的场景掠影

下图为任务场景之一。机器人置身于沙漠,需要收集足够的电池。途中需要使用颜色传感器进行定位,使用机器手臂按下开关打开下一道门。所有的这些活动,都需要编写程序来控制完成。这种类似游戏一样的任务设置让孩子更有兴趣。

仿真环境下,机器人的各类传感器都得到了很好的再现。

下图中,当机器人走到不同颜色的区域里时,颜色传感器就能检测到相应的色彩,并显示在左上角的窗口中。

下图中,当机器人转过不同的角度时,陀螺仪就可以检测到相应的度数,并显示在左上角的窗口中。

下图中,在机器人前端安装有触碰传感器,左上角的窗口中会实时地显示该传感器处于压缩或释放的状态。

课程分为不同的阶段,由浅到深学习机器人编程。包括机器人不同的行走模式,各类传感器的输入控制,循环/选择/变量等编程技巧等。最高级为使用Python代码语言控制机器人。能够满足不同年龄段不同水平的需求。

【机器人搭建】

运动机构是机器人最迷人之处,也是孩子最容易接受的机器人学习内容。通过不同零件的组装,最后完成一个功能,非常具有可视性和成就感。

我们的课堂教学分为理论和动手两部分。每节课一个专题。

理论部分讲解一项和机器人相关的知识点以及在工业中的应用。比如在机器手的专题,会介绍各种工业机器手,以及最前沿的黑科技,并讲解其中的工作原理。让孩子在一节课的时间里云参观一次科技博物馆。拓宽孩子的知识领域和视野。

传统的机器人搭建教学一般使用搭建指南。孩子都是按部就班的找好零件一步一步拼装成型。虽然模型很宏伟,但是这个过程不需要自己思考,做完之后很难有深刻的记忆,难以学习到运动学的知识。

动手部分摆脱了传统的搭建指南,只给孩子提供几张模型不同角度的照片。孩子通过对照片观察,思考各种零件的连接方法,用自己的顺序完成模型。

模型的选择从简单到复杂,逐步培养观察力和空间认知能力,对各类机械零件的熟练使用,深刻地理解其中的运动学知识,培养独立思考的能力。

比如怎么让机器人跑的更快?怎么才能加强力度?学习机构的构成、杠杆、摩擦等理科的知识。同时鼓励孩子尝试着做自己的设计。

比如在凸轮专题,我们会讲解凸轮在汽车引擎中的应用,如下图

在动手环节,会有相应的凸轮控制引擎阀门的简易模型让孩子搭建,如下图:

课程设置由浅入深分为不同的阶段。包括零件基础、运动机构、车辆原理和步行机器人等内容。每节课平均配备有10个左右的模型,从而达到高强度训练的效果。下图为部分课程模型。

【3D设计和打印】

授人以鱼不如授人以渔。

作为先进的设计工具,3D设计推动了包括机器人行业在内的多领域革命。而3D打印技术的出现和普及更是起到了锦上添花的作用。近年来一些高年级的机器人比赛项目中更是将3D打印作为一项考核内容。

凭着15年的专业3D设计背景,主教练张伟把3D设计和打印讲解的深入浅出,让孩子能够轻松的入门并接受,把自己的设计转化为有形实体,让自己的小发明可以从脑海里跃然而出,在Tech Fair等活动中脱颖而出。

每节课包含理论讲解和实例模型练习。

理论部分零基础起步,由浅入深地学习3D建模基本思想、操作方法、3D打印的原理和先进的工业应用等。

实例模型练习,加强对知识点的理解,确保学习的效果。

下面是两个模型实例:

No.7 教学质量

为了保证网课的学习效果,我们采取以下措施:

  1. 高强度:平均每节课会搭配10个左右编程或搭建作业;
  2. 逐一检查:无论课上课下完成的作业都会批改,如有问题,单独点评;
  3. 随时掌握每位孩子的学习进度,课后及时向家长汇报;
  4. 对于普遍存在的问题,录制视频作为补充教学材料;
  5. 个别遇到的问题单独给予解决。

机器人编程班任务完成记录(绿色:优秀;橙色:合格;红色:不合格)

每节课后向家长汇报上周和当天模型记录

课后补充视频教材

验收作业过程中发现问题个别点评

验收作业过程中发现问题个别点评

No.8 时限优惠课程

网络电商巨头的亚马逊发展速度惊人。高效的物流网络是其成功的坚强后盾。在每一个物流仓库都有数以百计的机器人在日以继夜的工作着。

亚马逊物流仓库中工作的机器人群

这些机器人是怎样构成的?有什么功能?如何有条不紊地协同工作的?如何完成物流配送?

本俱乐部在12月份将开设一门特别课程,讲解亚马逊物流机器人的构成、原理、以及编程。整个课程包含云参观亚马逊仓库、机器人结构讲解、编程练习等环节。是机器人软件和硬件相结合的综合性学习。

编程控制多个机器人在物流仓库中协同工作

课程由主教练张伟直播授课,分3次,每次1.5小时,学费$90/人。

转发本文到朋友圈或100人以上群即可获得免费听课机会,免费名额为前100名报名者。

No.9 选课指南

以下课程均为全英文,由主教练张伟实时授课。

推荐年龄段为2-8年级,因为每个孩子的基础不同,根据各人情况可以调整。

  • 机器人编程:共4季(入门/初级/中级/高级)
  • 机器人搭建:共4季(零件基础/机构原理/车辆原理/步行机器人)
  • 3D设计和打印:初级1季
  • 亚马逊机器人:共3次

俱乐部在近期会有面向新学员的说明会。

欢迎扫码或点击下面链接加入伟志机器人俱乐部,了解最新的信息。

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