機器人時代已經兵臨城下，偉志機器人俱樂部幫助您厲兵秣馬
No.1 前言
作為科技文明的一大推動力，人類的幻想從來沒有停止過。
然而，有趣的是很多幻想在剛剛出來的時候總是被人們根據自己的常識否定。突然有一天呈現在我們眼前時，讓人驚慌失措。
1984年的電影《終結者》中機器人給大家留下了冷酷而深刻的印象，但是當時很難相信場景會出現在我們的有生之年。
而2016年Boston Dynamics展示了Atlas做的三連跳、後空翻等一組高難度動作以後，讓人驚呼終結者時代到來了！
相信有人能看出來，機器人Atlas只是完成了一些複雜的機械運動，距離《終結者》的水平還差得遠呢！終結者之所以可怕不僅僅是因為剛健而敏捷的肢體，更是因為其高度發達的思維和判斷能力，即人工智慧（Artificial Intelligence，AI）。
那麼人工智慧（Artificial Intelligence，AI）的發展速度又是如何呢？
很多人都有過和人工智慧互動的體驗。比如問蘋果手機Siri今天天氣，讓亞馬遜的Alexa給你播一首歌，或者是人臉識別通過了檢票站等等，這些都是人工智慧的應用。
2015年的電影《機械姬》（Ex Machina）對人工智慧的未來進化進行了一次推演。當人類的邏輯推理變成了指令集，那就意味著機器人也擁有了一個正常人所有的思維。人類所擁有的智慧、知識、情感、自我保護、求生意識都會被機器人所繼承。
現實世界裡，同樣在2015年由香港的漢森機器人技術公司（Hanson Robotics）研發並激活的機器人索菲亞（Sophia）集成了人工智慧、視覺數據處理和面部識別功能，以及來自Alphabet公司（Google的母公司）的語音識別技術。索菲亞可以模仿人類的手勢和面部表情，並能夠和人類進行會話交流。
2017年的10月，沙烏地阿拉伯給索菲亞辦了一張公民的護照，這是人類歷史上第一個機器人公民。
設想一下，如果把索菲亞的人工智慧程序裝載到了機器人Atlas身上，就像孫悟空拿到了金箍棒，強大的人工智慧機器人就會誕生了。
所以當Corridor Digital公司以Atlas為原型製作了如下的小電影之後，讓很多人驚呼終結者時代已經到來。很難再有當年吃著爆米花，看《終結者》電影時的那種平靜的心情。
《New Robot Makes Soldiers Obsolete》 (Corridor Digital) 片段
機器人時代已經兵臨城下！
No.2 機器人發展
其實，前面的介紹只是機器人行業的冰山一角。
隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微型機器人、水下機器人、醫療機器人、養老機器人、教育機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。
對不同任務和特殊環境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開闢出更加廣闊的發展空間。
面對新的時代，如何儘早接觸機器人呢？
No.3 機器人比賽
機器人比賽最早出現於1970年代。 目前在各個領域有越來越多的比賽，例如Robocup和Robo One是兩個單項賽事。同時，樂高和VEX等公司也開發了自己的品牌賽事並稱為聯賽。
機器人比賽有很多種類型，比如按室內與室外、指定品牌（LEGO或VEX）與開放材料、未成年人/學生與專業人士、人形，帶輪，空中，水上，水下等等。
下面列舉在全球或地區性有重要影響的比賽。按創始年排序。
| 名稱 | 品牌 | 學生/職業 | 創立 | 簡述 |
| FIRST | Yes (Lego) | Students | 1992 | 國際大賽 |
| BEST Robotics | No | Students | 1993 | 美國學生大賽 |
| Robocup | No | Both | 1997 | 組織類似於FIRA |
| FIRA | No | Both | 1997 | 亞洲組織，於Robocup競技 |
| Battlebots | No | Pros | 2000 | 美國電視節目 |
| Robo One | No | Both | 2002 | 亞洲人形機器人比賽 |
| ABU Robocon | No | Students | 2002 | 亞洲組織，類似於FIRST |
| World Robot Olympiad | Yes (Lego) | Students | 2004 | 類似於Lego和Vex，品牌限制少 |
| RoboGames (Robolympics) | No | Both | 2004 | 美國國內知名比賽 |
| VEX Robotics Competition | Yes (VEX) | Students | 2007 | 國際大賽 |
| RoboParty | Yes (botnroll) | Students | 2007 | 教育活動（比賽中搭建機器人） |
| RoboMaster | Yes (DJI) | Students | 2015 | 基於中國的國際大賽 |
| MakeX | Yes (Makeblock) | Students | 2017 | 基於中國的國際大賽 |
如何選擇適合自己年齡的比賽作為切入點是個關鍵。
在如此繁多的機器人比賽中，根據當前的流行程度，我們這裡介紹一個在小學和初中青少年中影響力比較大的FIRST LEGO LEAGUE (FLL)。
FIRST LEGO League 簡稱FLL是FIRST機構與樂高集團組成的一個聯盟組織針對9到14歲（加拿大美國以外上限到16歲）孩子的國際比賽項目。每年八月初向全球參賽隊伍公布當年度的挑戰項目。這個項目鼓勵孩子們用科學的方法去調查研究以及自己動手設計機器人。孩子使用樂高的積木在教練的指導下為機器人進行設計，搭建、編程來解決現實世界中的問題。賽季的高潮是舉辦一個運動會式的比賽。
2019-2020賽季，FLL在全球110多個國家和地區共舉辦了2000多場比賽，超過67,000個隊伍參賽。隨著孩子年齡增長，FLL大賽還有後續年齡段的高階比賽。具有系統性和可持續性。
FLL大賽的任務多樣化，在場地上有多個不同形式的得分點。機器人不能使用遙控，需要由程序控制完成。更適合把任務細分到不同的隊員，使每個人都可以參與機器人的搭建和編程，得到鍛煉。
No.4 偉志機器人俱樂部介紹
圍繞著宗旨PLAY，LEARN，SHARE，TEAM WORK，和FUN。俱樂部以參加FLL等機器人大賽為驅動力，開展了多種寓教於樂的活動。
孩子們專心致志搭建機器人的過程中，飽含了許許多多的學習。我們提供的是培養孩子們獨自思考、獨自學習的教育方式。自己動手，開動腦筋，把想像中的東西轉化為有型的東西。引導孩子的個性，注重培養創造力。並逐漸自然的學到理科的知識（STEM）。
俱樂部不僅注重在STEM方面的教育，同時也注重隊員們的綜合素質教育。在教練們的指導下，隊員們研究社會問題，比如幫助無家可歸人群提供能夠接受的住宅方案等。隊員們通過調查研究，提出自己的解決方案，作出模型和實驗，並向不同的專家做路演，接受專家們的點評和反饋，再進行改進。在這樣的過程中，隊員們的解決實際問題的能力得到了鍛煉。
機器人隊員到Johns Creek市政府給官員分享自己的城市規劃項目並聽取反饋
除了自身素質的培養外，俱樂部還注重回饋社會、為隊員們提供機會分享參加機器人活動的樂趣和經驗。僅2019年，俱樂部隊員在不同的中小學校及公共場所做演講20多場，受益的中小學生達600餘人。
隊員在公立學校分享機器人
隊員到樂高夏令營給營員們分享自己的比賽經歷
機器人隊的日常訓練
在平時的訓練過程中，團隊精神通過一些小遊戲得到鞏固和發展。
下面是州決賽中的片段。比賽已經臨近尾聲，雙方都在爭搶制高點。
首先是右側的黃隊機器人緩緩開始登橋。教練開始低頭禱告，所有隊員屏氣凝神。
機器人不負眾望，率先登上橋頭，壓下了小紅旗得分。黃隊的隊員開始沸騰，教練釋懷的開始鼓掌。左側本俱樂部的黑隊機器人出發落後，可以看出隊員們的無形壓力。
然而比賽仍在繼續，僅僅數秒之後，黑隊機器人穩穩地衝上了橋頭，壓下了得分的小紅旗，並把黃隊的機器人推下了橋。
這一逆轉讓黃隊隊員和教練的表情瞬間凝固了。連右側裁判都驚愕的合不上嘴巴。隨之而來的是黑隊隊員的歡呼雀躍。
規則是按比賽結束時間點的狀態計分，所以登橋奪旗的分數由黑隊獲得。精彩刺激可見一斑。
令人緊張而激動的比賽時段（State Championship)
獲獎時刻
No.5 主教練介紹
俱樂部主教練張偉
俱樂部主教練張偉博士在中國電子科技大學（UESTC）取得機械電子專業的學士和碩士學位，碩士期間代表學校參加中國中央電視台主辦的首屆全國大學生機器人電視大賽。在32支全國重點高校代表隊中，取得小組第一名，並在複賽中以獨到的戰術贏得了最佳策略獎。
首屆全國大學生機器人電視大賽電子科技大學代表隊（前排左二：張偉）
首屆全國大學生機器人電視大賽比賽場景
首屆全國大學生機器人電視大賽參賽證書
之後留學日本，在國立香川大學攻讀智能機器人專業並取得博士學位。
畢業後就職於一家跨國公司產品研發總部。張偉博士的思維的創造性和嚴謹認真的態度得到了進一步發揮。連續數年獲得公司的產品研發一等獎。工作成績引起了日本政府的重視，獲得日本國家電子電氣工程師協會（IEEJ）頒發的技術革新獎。
之後以海外傑出人才身份移民美國，張偉博士積極活躍於國際電子電氣工程師協會（IEEE）的活動，作為機器人與自動化（RAS）、電力能源（PES）等分會會員參與國際行業標準的編訂工作，並完成了多項IEEE國際標準的修訂。
2019年晉陞為該協會的高級會員（IEEE Senior Member）。
國際電子電氣工程師協會高級會員
2018年初次接觸FIRST樂高機器人大賽（FLL）後，開始注重機器人在兒童教育領域的應用。致力於團隊的機器人訓練，並於當年取得小組總冠軍。
2019年成立偉志機器人俱樂部，帶領兩支隊伍參加FLL比賽。在小組賽（Regional）的36支隊中機器人得分排名第一和第三，綜合成績小組冠軍。
在複賽（Super Regional）的36支隊中機器人得分排名第一和第二，機器人設計獎和綜合成績小組冠軍。
在喬治亞州的決賽（State Championship at Athens Academy）的32支隊中機器人得分排名第三和第九，並分別獲得Research Award和Gracious Professionalism Award.
2019年度FLL City Shaper賽季俱樂部所獲獎盃
主教練張偉於2020年初順利通過FIRST機構的裁判考核，獲得FIRST LEGO LEAGUE (FLL)機器人大賽裁判證。並多次參與FLL大賽的機器人比賽裁判活動。
FIRST LEGO LEAGUE (FLL)機器人大賽裁判證
No.6 課程介紹
厚積方能薄發。俱樂部拒絕刀槍入庫馬放南山。每一個賽季的結束就是俱樂部練兵的開始。
本著缺啥補啥的原則，俱樂部為學員們開設了不同的學習班，為下一個賽季充電。
前面提到的機器人是由程序和機構兩部分構成。這兩部分就像人的兩條腿，相輔相成缺一不可。課程主要分為機器人編程班和機器人搭建班。同時為了以後初高中年齡段的機器人比賽打基礎，還開設有3D設計和列印班。
【機器人編程】
學習機器人編程，首先需要清楚機器人3要素：
- 輸入模塊（感測器）
- 控制模塊（控制器）
- 輸出模塊（電機，顯示，聲音等）
這是機器人編程區別於普通的編程（比如scratch等）的關鍵之處。通過感測器對周圍環境進行檢測，數據彙報給控制器。再由控制器中編好的程序決定機器人對外界環境應該做出的反應，比如控制電機轉動，或控制光電顯示輸出等。
實驗和觀察的內容也更加深層，機器人編程不僅可以學習普通編程中的常數/變數/循環/選擇/指針/子函數等基礎的編程技巧，同時還可以學習觸發感測器、光電/色彩感測器、陀螺定向感測器、超聲波感測器的工作原理，如何使用不同的感測器來改變機器人的運動。可以軟體和硬體相結合的系統學習。
實體機器人編程班公開課
在傳統的實體機器人教學中，受制於動輒數百美元的價格，通常是幾個孩子共享一台機器人。為了讓更多的孩子能有機會接觸機器人。本俱樂部從2020年暑假開始嘗試使用模擬平台進行機器人編程教學，並取得了良好的效果。
新的教學環境突破了傳統教學對實體機器人的依賴，使得每個孩子都可以擁有一個自己的機器人。
同時在模擬環境中，不再局限於傳統教學中枯燥地在小桌子上設定各種任務。模擬環境中機器人的任務更加豐富多彩，場景多樣化，每個任務都是在新的環境里進行不同地挑戰。讓孩子在學習過程中始終保持新鮮感。
不同任務的場景掠影
下圖為任務場景之一。機器人置身於沙漠，需要收集足夠的電池。途中需要使用顏色感測器進行定位，使用機器手臂按下開關打開下一道門。所有的這些活動，都需要編寫程序來控制完成。這種類似遊戲一樣的任務設置讓孩子更有興趣。
模擬環境下，機器人的各類感測器都得到了很好的再現。
下圖中，當機器人走到不同顏色的區域里時，顏色感測器就能檢測到相應的色彩，並顯示在左上角的窗口中。
下圖中，當機器人轉過不同的角度時，陀螺儀就可以檢測到相應的度數，並顯示在左上角的窗口中。
下圖中，在機器人前端安裝有觸碰感測器，左上角的窗口中會實時地顯示該感測器處於壓縮或釋放的狀態。
課程分為不同的階段，由淺到深學習機器人編程。包括機器人不同的行走模式，各類感測器的輸入控制，循環/選擇/變數等編程技巧等。最高級為使用Python代碼語言控制機器人。能夠滿足不同年齡段不同水平的需求。
【機器人搭建】
運動機構是機器人最迷人之處，也是孩子最容易接受的機器人學習內容。通過不同零件的組裝，最後完成一個功能，非常具有可視性和成就感。
我們的課堂教學分為理論和動手兩部分。每節課一個專題。
理論部分講解一項和機器人相關的知識點以及在工業中的應用。比如在機器手的專題，會介紹各種工業機器手，以及最前沿的黑科技，並講解其中的工作原理。讓孩子在一節課的時間裡雲參觀一次科技博物館。拓寬孩子的知識領域和視野。
傳統的機器人搭建教學一般使用搭建指南。孩子都是按部就班的找好零件一步一步拼裝成型。雖然模型很宏偉，但是這個過程不需要自己思考，做完之後很難有深刻的記憶，難以學習到運動學的知識。
動手部分擺脫了傳統的搭建指南，只給孩子提供幾張模型不同角度的照片。孩子通過對照片觀察，思考各種零件的連接方法，用自己的順序完成模型。
模型的選擇從簡單到複雜，逐步培養觀察力和空間認知能力，對各類機械零件的熟練使用，深刻地理解其中的運動學知識，培養獨立思考的能力。
比如怎麼讓機器人跑的更快？怎麼才能加強力度？學習機構的構成、槓桿、摩擦等理科的知識。同時鼓勵孩子嘗試著做自己的設計。
比如在凸輪專題，我們會講解凸輪在汽車引擎中的應用，如下圖
在動手環節，會有相應的凸輪控制引擎閥門的簡易模型讓孩子搭建，如下圖：
課程設置由淺入深分為不同的階段。包括零件基礎、運動機構、車輛原理和步行機器人等內容。每節課平均配備有10個左右的模型，從而達到高強度訓練的效果。下圖為部分課程模型。
【3D設計和列印】
授人以魚不如授人以漁。
作為先進的設計工具，3D設計推動了包括機器人行業在內的多領域革命。而3D列印技術的出現和普及更是起到了錦上添花的作用。近年來一些高年級的機器人比賽項目中更是將3D列印作為一項考核內容。
憑著15年的專業3D設計背景，主教練張偉把3D設計和列印講解的深入淺出，讓孩子能夠輕鬆的入門並接受，把自己的設計轉化為有形實體，讓自己的小發明可以從腦海里躍然而出，在Tech Fair等活動中脫穎而出。
每節課包含理論講解和實例模型練習。
理論部分零基礎起步，由淺入深地學習3D建模基本思想、操作方法、3D列印的原理和先進的工業應用等。
實例模型練習，加強對知識點的理解，確保學習的效果。
下面是兩個模型實例：
No.7 教學質量
為了保證網課的學習效果，我們採取以下措施：
- 高強度：平均每節課會搭配10個左右編程或搭建作業；
- 逐一檢查：無論課上課下完成的作業都會批改，如有問題，單獨點評；
- 隨時掌握每位孩子的學習進度，課後及時向家長彙報；
- 對於普遍存在的問題，錄製視頻作為補充教學材料；
- 個別遇到的問題單獨給予解決。
機器人編程班任務完成記錄（綠色：優秀；橙色：合格；紅色：不合格）
每節課後向家長彙報上周和當天模型記錄
課後補充視頻教材
驗收作業過程中發現問題個別點評
驗收作業過程中發現問題個別點評
No.8 時限優惠課程
網路電商巨頭的亞馬遜發展速度驚人。高效的物流網路是其成功的堅強後盾。在每一個物流倉庫都有數以百計的機器人在日以繼夜的工作著。
亞馬遜物流倉庫中工作的機器人群
這些機器人是怎樣構成的？有什麼功能？如何有條不紊地協同工作的？如何完成物流配送？
本俱樂部在12月份將開設一門特別課程，講解亞馬遜物流機器人的構成、原理、以及編程。整個課程包含雲參觀亞馬遜倉庫、機器人結構講解、編程練習等環節。是機器人軟體和硬體相結合的綜合性學習。
編程式控制制多個機器人在物流倉庫中協同工作
課程由主教練張偉直播授課，分3次，每次1.5小時，學費$90/人。
轉發本文到朋友圈或100人以上群即可獲得免費聽課機會，免費名額為前100名報名者。
No.9 選課指南
以下課程均為全英文，由主教練張偉實時授課。
推薦年齡段為2-8年級，因為每個孩子的基礎不同，根據各人情況可以調整。
- 機器人編程：共4季（入門/初級/中級/高級）
- 機器人搭建：共4季（零件基礎/機構原理/車輛原理/步行機器人）
- 3D設計和列印：初級1季
- 亞馬遜機器人：共3次
俱樂部在近期會有面向新學員的說明會。
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