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qlrobot 的博客

清流县青少年机器人工作室

 
 
 

日志

 
 

2011年03月21日  

2011-03-21 09:49:38|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第九届福建省青少年机器人竞赛

 

FLL机器人挑战赛主题与规则

 

1 FLL机器人挑战赛简介

FLL机器人挑战赛是一项青少年国际机器人比赛项目,其对象为中小学生。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行编程。参赛的机器人可在特定的竞赛场地上,按照一定的规则进行比赛。

在中国青少年机器人竞赛中设置FLL机器人挑战赛的目的是激发我国青少年对机器人技术的兴趣,为国际FLL机器人挑战赛选拔参赛队。

2 竞赛主题

本届FLL挑战赛的主题为“关注健康”。

生物医学工程是有助于医、患双方的各种工程学科的应用。化学、机械、电气及其它工程,甚至艺术,与传统生物与医学科学融合起来促进了卫生事业的发展。

我们早就知道,心脏有问题的人可以装上起搏器,维持心脏的正常跳动;动脉壁沉积了脂肪变得狭窄后,可以插入支架扩张动脉;断裂的骨胳可以打上钢钉,引入骨胳生长细胞,使断裂的骨胳复合,这些都生物医学工程的成果。随着科学技术的发展,生物医学工程会创造出更多神奇的东西,来替换人体上缺失或损坏了的“部件”。你能想象生物医学工程在未来会怎样改变人类吗?

让我们来当一回生物医学工程师,对人类的健康给予更多的关注吧!

3 比赛场地与环境

3.1 场地

图1是比赛场地的透视图。

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 赛台

3.2.1 赛台是进行机器人比赛的地方。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2 单个赛台的内部尺寸长为1143mm、宽2362mm,四周装有边框,高为100mm,如图2所示。边框内侧为黑色,所有外侧和内侧边框均采用防火板。

3.3.3 场地底板上铺有亚光场地膜,底色为白色。场地膜上画有基地,比赛用的部分模型则布置在场地膜上。

3.2.4 比赛时两张赛台背靠背放在一起,如图2所示。两支参赛队各占一张赛台。参赛队员面向赛台时,赛台左西右东。

3.2.5 场地上物品较多,比赛期间,参赛队和裁判员要共同维护好场地的秩序。参赛队可以把基地内当前不动或机器人不用的物品放到基地外,只要这个动作不具有任何策略性。物品也可由赛台旁两名队员之一拿在手里或在盒子里。如因其它原因而非机器人的动作使模型断裂、失效、移动或被激活,如果可能,裁判员应尽快将它恢复。

3.3 基地

场地膜的西南角有一块基地。基地是垂直向上延伸的基地区周边(包括边框的内表面)和一个40cm高的虚拟天花板组成的盒子,如图3所示。基地是一个空间而不是平面。基地是机器人准备、启动和必要时维修的地方。

3.4 任务模型

3.4.1 臂骨及石膏模

 两段白色断开的臂骨放在场地膜的指定位置上。放在基地内的一块蓝色的石膏模用来扣住断骨。

 

 

图4 断开的臂骨及石膏模

3.4.2 腿骨、骨桥、小球及球门

一个白色模型表示腿骨,其中大的一段固定在场地南边,小的一段与它对齐,有1.5mm间隙,如图5所示。放在基地内的骨桥可以插入腿骨右上方,表示“接骨”。腿骨一端有“脚”,接骨后,转动腿骨时,“脚”可将放在黑色圆环上的蓝色小球踢出。稍远处,有一个用白色小条三面围住的绿色区域,就是球门。

 

 

 

 

 


                     图5 腿骨、骨桥、小球及球门                            图6 注射器、白血球及红血球

3.4.3 注射器、白血球及红血球

注射器放在场地西北角的一个斜面上,针头向北,上面排列着5个红色小片表示的红血球和3个白色圆形小片表示的白血球(白1,红1,白1,红2,白1,红2),如图6所示。比赛开始前还有3个红血球放在基地内。

3.4.4 坏死的细胞

五个可转动的黑白两面的小片装在一个架子上,如图7所示,转动小片时有“咔哒”声。黑色一面表示坏死的细胞。

 

 

 

 

图7 坏死的细胞

3.4.5 机械手与专利

场地北边中央,两个赛台共用一个灰色的专利台,上面放着一个表示专利的黑色平板,如图8所示。在两队的场地膜上均固定着一个可抓住专利的机械手。

 

 

 

 

 

 

 

 


图8 机械手与专利                                   图9 心脏与补钉

 

3.4.6 心脏补钉

心脏补钉用一个黑色的方片表示,比赛开始前放在基地内,需要用机器人把它放到场地北面机械手西侧表示心脏的模型中去,如图9所示。

3.4.7 起搏器

起搏器是一个灰色的模型,一侧有黑色细管,比赛开始前放在基地内,需要用机器人把它移到心脏模型,如图10所示。

                          

 

 

 

 

图10 起搏器

 

                                     图11 大脑和神经

3.4.8 大脑和神经

表示大脑的灰色模型固定在场地东面的病区中。其西侧有一根红色的输入“神经”,东侧有三根红色的输出“神经”。输入、输出神经之间有一定的联动关系。南侧的黑色输入神经会使北侧白色的输出神经动作,如图11所示。

3.4.9 门

表示被控制对象的门的模型固定在大脑模型的北面,与大脑有白色神经联系,如图12所示。在白色神经的激励下,门可以打开。

 

 

 

 

 

 

 


图12 大脑和被控制的门

3.4.10 配药器和容器

 

 

 

 

 

图13 配药器和容器

配药器固定在机械手东面,装药的容器放在它的旁边,如图13所示。配药器平台上有蓝、白、粉三排药片,每排三片。药片排列得不一定很整齐,但蓝、白、红的次序要正确。推配药器右侧的小杆,可将药片推入左侧的容器。

3.4.11 举重机械手

一个蓝色的机械手模型固定在配药器和门之间。推动蓝色立板,机械手就可以将重物举起。

 

 

 

 

 


图14 可以举起重物的机械手

3.4.12 医生、生物医学工程师和患者

比赛开始时代表医生的白色小人放在注射器和动脉模型之间,坐姿,面向南。代表生物医学工程师的小人放在基地内。代表患者的小人放在大脑模型西侧的神经元图形中,坐姿,面向西。

 

 


图15 医生、生物医学工程师和患者

3.4.13 仿生眼

放在基地内的仿生眼如果被移动到场地中央的人形的上半身,如图16所示,就代表医生就病人做了人造眼的手术。比赛开始前,基地中有两个仿生眼。

 

 

 

 

图16 仿生眼和场地膜中央的人形

3.4.14 动脉与支架

红色的动脉模型水平固定在场地西北的医生与心脏之间,模型中部稍窄,表示动脉变窄了。机器人将放在基地内的灰色“支架”插进动脉,就可以将动脉扩张,动脉壁就变得平行了,如图17所示。

 

 

 

 

图17 动脉与支架

3.5 赛场环境

机器人比赛场地环境为冷光源、低照度、无磁场干扰,但由于一般赛场环境的不确定因素较多,例如,场地膜下面有纹路和不平整;场地膜本身有皱褶;尺寸有误差;边框上有裂缝;光照条件有变化;等等。参赛队在设计机器人时应考虑各种应对措施。

4 机器人和器材

本节提供设计和构建机器人的原则和使用器材的要求。机器人在比赛中可以完成特定的任务。参赛前,所有机器人必须通过检查。

4.1 参赛的机器人必须使用LEGO NXT或RCX控制器以及配件或附属装置。安装方法可以是压装或松配合。脱离机器人的物体不属于机器人的一部分。

4.2 竞赛用到的每种器材必须使用原始出厂状态的LEGO元件制作,导线和软管可以剪成需要的长度。

4.3 除不允许用发条/回力“马达”外,对非电气LEGO元件的数量及来源没有限制。气动元件是允许的。

4.4 所用的电气元件必须为LEGO MINDSTORMS型元件,在一场比赛中参赛队可以使用的电气元件总数受到表1的限制。必须使用西觅亚提供的乐高机器人器材并得到西觅亚公司的认证。

表1 单场比赛中参赛队允许使用的电气元件数

对RCX用户

对NXT用户

电气元件

最大用量

电气元件

最大用量

RCX

1

NXT

1

电机

3

电机

3

接触传感器

2

接触传感器

2

光电传感器

2

光电传感器

2

1

1

角度传感器

3

角度传感器(包含伺服电机内部的角度传感器)

3

第三个接触或光电传感器

1

超声传感器

1

例如,如果你的机器人上有三个电机,就不能再把其它电机带到竞赛区,即使该电机只是用于配重或装饰或放在场外的盒子里。再如,如果你的机器人上有两个电机,但是你有多个附属装置要用电机带动,你必须设计一种方法将第三个电机从一个附属装置取出迅速装到另一装置中。

4.5 LEGO导线和转接线可以随意使用。

4.6 在准备区可以有备份/替换的电气元件。

4.7 不允许将计算机带入比赛区。不能在比赛区内给机器人下载程序,可以在准备区中进行。

4.8 无论在何处,不允许使用有遥控功能的物品。

4.9 只允许在机器人的不外露位置使用辨别身份的标记。

4.10 不允许使用油漆、胶带、胶水、油等。

4.11 除了可按LEGO说明书使用LEGO的不干胶标签外,其它标签均不可使用。

4.12 注意,在单场比赛中使用多个机器人是违规的,但是,在不同场次的比赛中可使用不同的机器人。

4.13 如果机器人违反本规则且无法纠正,裁判长可以决定它如何参赛,但此机器人不能获奖。

4.14 可以使用LEGO MINDSTORMS、RoboLab或NXT软件(任何版本)给机器人编程。允许使用由制造商(LEGO和NI公司)提供的补丁、插件和新版本软件。不允许使用工具包(LabVIEW)、基于文本的编程软件或“外部”软件。

5 任务说明

5.1 机器人要完成的任务有14种,有的任务还可以分解为一些子任务,相应的分值如表2所示。

表2  任务说明

 

任务名称

涉及的模型

任务内容及得分条件

分值

普通骨胳修复

臂骨和石膏模

对正臂骨,然后扣上蓝色的石膏模,石膏模要一直向下。

25分

特种骨胳修复

  腿骨、骨桥、

球和球门

把骨桥完全插入腿骨。然后,测试骨胳的修复状况,方法是只动腿用脚把球踢进球门。在任何时候只允许脚、场地膜、黑色圆环与球接触,否则,将把球拿出场外。球必须接触球门中的绿色区域。只要黑色圆环上不再有球,任何人都可以将它拿走。

插入骨桥15分,

踢进球25分

快速血液筛选

注射器、白血球与红血球

把注射器拿回基地。然后,把白血球与红血球分开。最后,只把三个白血球全部送到病区中(场地东边非橙色区的任何地方)。当注射器的某一部分到达基地后,注射器及其中的血球可以用手处理/分离。红血球是本届比赛的接触惩罚物品,见8.4。

回基地25分,

到达病区15分,

场上红血球5分/个

剔除坏死

的细胞

坏死的细胞

随机地,至少有1个坏死的细胞(黑色平板)面向南方,其它朝北。机器人只要一出基地,裁判员可能随机安排模型,直到机器人第一次使小板发出咔哒声。使所有黑色平板朝上或朝北,表示你已经识别了坏死的细胞。使所有黑色小板只朝北,表示你已经摧毁了坏死的细胞。所有位置必须全部发出咔哒声。

识别20分,

剔除25分

掌握专利

机械手、专利台

和专利

让机械手抓住专利或使专利在一方。如果两边的手都抓住专利,两队均得到这项任务的满分。

25分

修补心脏

心脏补钉和心脏

让心脏补钉进入心脏。

20分

安装起搏器

起搏器和心脏

把起搏器装到心脏中,使黑管的自由端进入心脏,但起搏器的灰色本体在外面。

25分

研究神经映射

大脑

推动大脑的西侧输入神经,看看东侧的哪根神经表现出一个输出信号。一根红色的神经必须由大脑向外明显移动,动多远无所谓。这个动作揭示了神经输入/输出关系。

15分

目标的思维

控制

大脑和门

只推动大脑南侧的输入神经,使门至少半开。

20分

自动配药

配药器和蓝、白、粉色药片

从配药器推出所有蓝、白色药片,但保留粉色药片,还要把装有蓝色和白色药片(至少各一片)的容器送进病区。

推出药片25分,

送进病区5分

机械手举起

重物

举重机械手

只推机械手上的蓝色小板,使重物向上。

25分

专业协作

医生、生物医学工程师和患者

把医生和生物医学工程师移动到病区会见患者,使3个小人全在病区内。

25分

安装仿生眼

仿生眼

至少移动1个仿生眼,使它与位于场地中央的人的上半身(含轮廓)接触。

20分

安装支架

支架和动脉

插入支架扩张变窄的动脉。动脉壁必须明显地平行。

25分

 

 

5.2 一些任务的得分与不得分情况在图18~27中说明。

 

 

 


           得分                      不得分                       不得分

得分                        不得分                        不得分

图18 普通骨胳修复任务的得分与不得分情况

 

 

 

 

 

 


图19 踢球进门的得分情况

 

 

 

 


得分                            不得分           

图20 送到病区的白血球的得分与不得分情况

 


     

 

 

     随机的初始状态             表示“识别”的状态               表示“剔除”的状态

图21 剔除坏死细胞任务的状态

 

 

 

 

 


得分                           得分                           得分

图22 修补心脏任务的得分情况

 

 

 

 

 


得分                         得分                         得分

 

 

 

 

 


不得分                      不得分

图23 安装起搏器的得分与不得分情况

 

 

 

 

 


完成配药任务                  完成配药任务        完成配药任务但不可能完成送药任务

 

 

 

 

 


    未完成配药任务但有可能完成送药任务                              送药进入病区得分

图24 配药和送药任务的完成情况

 

 

 

 

 


不得分                   不得分                    得分

 

 

 

 

 

 


得分                   不得分                    得分

图25 专业协作任务的得分与不得分情况

 

 

 

 

 


得分                    得分                   得分

 

 

 

 

 


不得分                    不得分                    不得分

图26 安装仿生眼任务的得分与不得分情况

 

 

 

 


得分                            得分                       不得分

图27 安装支架任务的得分与不得分情况

5.3 机器人从基地出发,出去走一圈或多圈,每次完成一个或多个任务。

5.4 完成任务不必按照某种特定的顺序,可以反复尝试完成某个任务,但场上物体不会按照参赛队员的要求归位。

5.5 完成任务的结果必须一直保留到比赛结束时,即,所要求的结果在场上仍能看到,这是得分的必要条件。

5.6 满分为400分。

 

6 比赛

6.1 赛制

6.1.1 机器人基本技能竞赛按小学、初中、高中三个组别分别进行比赛。

6.1.2 比赛前,用电子抽签方式确定参赛队的编号。

6.1.3 比赛不分初赛与复赛。组委会保证每支参赛队有相同的上场次数(一般是三次以上)(具体场次省赛视情况待定),每次均记分。

6.1.4 所有场次的比赛结束后,剔除每个参赛队的一次最差成绩,取其余场次得分之和作为该队的总成绩。按总成绩对参赛队排名。

6.2 参赛队

每支参赛队应由2名学生和不超过2名教练员(教师或学生)组成。每场比赛中2名队员面向赛台,教练员不得站在赛台旁。

6.3 比赛过程

6.3.1 赛前检查

参赛队的机器人在比赛前需要接受裁判员的检查,检查内容包括器材来源、机器人安全性等。

6.3.2 赛前准备

6.3.2.1参赛队准时到场参赛后,至少有一分钟时间去准备和安排未加电的机器人以及将要移动和使用的物品。

6.3.2.2 参赛队必须使用比赛提供的任务模型,不能携带自己的复制品到竞赛区。参赛队员与裁判员一起核查赛台上的模型的数量和位置。

6.3.2.3 赛前准备中,参赛队不能为满足自己的需要而拆下任务模型,把任务模型固定到机器人上,把任务模型相互连接,将任何东西固定到任务模型上,为策略的需要接触基地外的任务模型,以及在竞赛区附近下载程序。

6.3.2.4 在准备时间内,参赛队员可以在基地外校准光电传感器。

6.3.2.5 在准备启动时,机器人必须在启动位置不动,参赛队员不能接触机器人和将要移动或使用的任何物品。机器人的任何部分以及将要移动或使用的任何物品必须完全纳入基地,不允许任何东西超出虚拟的基地空间,如下图所示。机器人可以(但不要求)与将要移动或使用的物品接触。

 

 

 

 

6.3.2.6 准备一台尚未加电的机器人时,参赛队可以用自己准备的策略物品(为了策略的需要而准备的物品,不是机器人)使它对准某个目标,但是在机器人启动前,必须松开策略物品。

6.3.2.7 完成准备工作后,队员应向裁判员示意。

6.3.3 启动

6.3.3.1 裁判员确认两个参赛队均已准备好后,将发出“5,4,3,2,1,开始”的倒计数启动口令。随着倒计时的开始,操作手可以用一只手慢慢靠近机器人,听到“开始”命令的第一个字,操作手可以触碰一个按钮或给传感器一个信号去启动机器人。

6.3.3.2 为了确保负责启动机器人的参赛队员对机器人所做的唯一动作是让程序运行,在倒计时期间,参赛队员不能触摸机器人或将要使用或移动的物品。如果触摸了,裁判会命令重新开始倒计时。

6.3.3.3 在“开始”命令前启动机器人将被视为“误启动”并受到警告或处罚。

6.3.3.4 一旦比赛开始,不得以任何理由中断或暂停比赛。

6.3.4 对比赛动作的规定

6.3.4.1 一般来说,完成任务并不需要使用特定的方法,也鼓励参赛队自由创造。但是,如果规则要求用某种特定方法完成某个任务,就必须用那个方法,否则裁判不认为是完成任务。

6.3.4.2 不允许将任务模型与其它物品(包括另一个任务模型)不合法地连接,如图29所示。任务模型与其它物品的合法连接应满足以下条件:握住其中一个(如果二者不同,则握住较重者)轻轻晃动,另一个会因重力而完全分离。如有不合法的连接,裁判员将不允许机器人启动。

 

 

 

 

 


图29 不应有的不合法连接

6.3.4.3 机器人一经启动,就被认为是“活动的”,并一直保持到参赛队员下一次触碰机器人或任何模型或正在移动或使用的策略物品。发生上述接触动作时,机器人就立刻被认为是“不活动的”,如果它不在基地,就必须拿回基地调整、重新配置并准备重新启动。

6.3.4.4 如果接触活动的机器人时它正在策略性地移动某个模型或策略物品,正在被移出基地的物品随机器人一起拿回基地,继续使用;裁判员将把那些在基地外遇到的物品拿出场地,不再使用。

6.3.4.5 只有在显然是要让机器人出基地的时候,参赛队员才可以将要移动的物品完全放到基地里,让活动的机器人与它相互作用。然而,把物品放到活动的机器人上,被认为是间接接触,必须重新启动。

6.3.4.6 不管因为什么原因而重新启动,应按照6.3.2.4的要求在基地内摆放机器人与物品。

6.3.4.7 如果未被接触的活动机器人与所移动或使用的物品脱离了接触,则该物品应留在原地,直到机器人重新与它接触。这类物品不能用手去恢复。

6.3.4.8 被活动机器人改变了的场地状态,不能恢复。参赛队员接触活动的机器人时,机器人必须立即停止。如果在机器人停止期间改变了场地状态,裁判会尽力恢复。如果无法恢复场地,就只能保持“原样”。无用的物品可以从赛台上拿走,但是未经裁判员允许,不得放在地板上。

6.3.4.9 基地内可得分的任务模型或物品,应一直在裁判员视线之内。

6.3.4.10 在比赛过程中,对于显然不是故意损坏而导致脱落的机器人零件,参赛队可自行或请求裁判帮助先移出场外,在机器人回到基地后,可将脱落的零件恢复。

6.3.4.11 参赛队的机器人不能以任何方式干扰对方的机器人、场地或策略。

6.3.4.12 只要机器人(或与它接触的物体)的某一部分进入基地就可以用手将它们拿到基地里。如果机器人进入基地里的仅是一条绳索、软管、导线、管子、链条或其它显然是为了伸展机器人而设计的配件(非机器人主体),就不认为机器人的某一部分进入了基地。

6.3.5 比赛结束

6.3.5.1 每场比赛时间为150秒钟,裁判员以哨音结束比赛。在确认得分前,任何人不能触碰和移动场上的东西。

6.3.5.2 裁判员记录场上状态,填写记分表。参赛队员应确认自己的得分,立即将自己的机器人搬回准备区并注意不要带走任务模型和比赛用物品。

6.3.5.3 裁判员或志愿者将任务模型和物品恢复到启动前状态。

6.4 确定获胜队

6.4.1 每场比赛后,参赛队的最终得分为各种动作的得分扣除罚分,按最终得分多少确定胜负。

6.4.2 挑战赛结束后,每支参赛队剔除一场最低得分,以其余场次的平均得分排名。如果出现局部并列的情况,以参赛队被剔除的一次比赛得分确定先后;如果仍然并列,由裁判长根据参赛队的场上表现确定先后。

7 记分

7.1为减少比赛期间的争议,该场比赛结束后只根据当时场地上的情况来判定得分。比赛结束时,裁判会仔细检查赛场并记下物品的状态和位置。这就是说,如果已经完成的任务被机器人在比赛结束前破坏了,就无法得到该分数。

7.2 对于每项已完成的任务所记的分数,参见“5 任务说明”一节。

7.3 判定得分时,常常要判定某物品是否在某区域“里面”,判断标准是如果A的任何一部分覆盖B区域,A就在B的“里面”,如图30所示。直接接触也没有关系。容器中的物品要单独裁定,与容器无关。

 

 

 

图30 “里面”的判断

7.5 有时,还需要判定某物品与机器人、任务模型或另一物品是否接触。如果A与B直接接触,就是A接触了B,如图31所示。

 

 

 

图31 “接触”的判断

8 犯规和取消比赛资格

8.1未准时到达的参赛队,每迟到1分钟则判罚该队10分。如果比赛开始2分钟后参赛队仍未到场,该队将被取消比赛资格。

8.2 第一次误启动的参赛队将受到裁判员的警告,第二次误启动的参赛队将被取消比赛资格。

8.3 违反对器材和软件的规定,又无法纠正,由裁判长决定处理办法,但是,无论怎样处理,该参赛队不能获奖。

8.4 红血球是本届比赛的“接触惩罚物品”。红血求在场上的任何地方都可以得分。但是,活动的机器人完全离开基地后再被队员接触时,裁判就要从场上拿走一个红血球作为惩罚。如果场上的红血球全被拿走,就不再惩罚。

8.5 如果任务模型损坏显然是参赛队或机器人造成的,无论是有意还是无意,将警告一次。即使再次完成任务也不能得分。

8.6 如果出现类似于图29所示的不合法的任务模型的连接,裁判员将宣布机器人这一次从基地启动完成的所有任务无效。场地恢复到启动前的状态,机器人及相关模型拿回基地重新启动,但不进行8.4的处罚。

8.7 比赛中,参赛队员有意接触比赛场上的物品或机器人,将被取消比赛资格。偶然的接触可以不当作犯规,除非这种接触直接影响到比赛的最终得分。

8.8 如果教练员在比赛的任何时候干扰/妨碍裁判员的工作,参赛队将被取消比赛资格。

8.9 如果从机器人上分离出来的部件或机构妨碍对方得分,该队将被取消比赛资格。多次故意犯规可能导致取消该队的参赛资格。

8.10 不听从裁判员的指示将被取消比赛资格。

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