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機器人賽事分享



文/蘇鼎欽
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圖1. 第12屆全國高中生活科技競賽參賽隊伍大合照

隨著大數據、物聯網、AI人工智慧時代的來臨，機器人的出現在未來的生活中已經無可避免，而在108課綱中在科技領域中更在加深加廣課程中將「機器人專題」列為可開設的選修課程，讓機器人教學融入高中課程中，經由跨域整合，透過專題探討與問題解決實作，培養未來科技人才。因為機器人需要運用的知識與技術最後都會連結到智慧機械、物聯網和AI，而這些都是驅動台灣未來創新經濟發展的關鍵領域。
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圖2. Team7632 隊長維修機器

機器人（robot）一詞隨著時代的演變開始有著不一樣的詮釋。有人認為人形機器人才是機器人；有人則用開放的條件來認定機器人必須著重在功能，需具備能感知環境、自主學習和產生行動才夠資格稱得上機器人。但在這個科技產品大爆發的年代裡，機器的智慧化讓機器與機器人的界線越來越模糊，例如：CNC車床不會被我們稱之為機器人，但相同工作原理的工業用機械手臂則會被稱為機器人；教學用的人型機器人，有可能沒有辦法具有感測周圍環境的功能可能只是會做出擬人的動作或移動，而自駕車包含了各種感知、可自主思考及產生行動能力，雖然外觀還是車子，但我們知道它其實已經是機器人了。所以，隨著科技演進，已經越來越難用簡單的定義來定義機器人。

世界級的機器人競賽

機器人是一門高度整合科學、科技、工程、數學(STEM)的專題，包含機械（機構設計與製作）、電機（機電整合）、電子（電子串接及訊號處理）、程式編寫，而依據年齡，自然有許多教育用機器人針對各階段學生所應學習的知識與技能產品應運而生。所以，機器人競賽，背後代表的是一個國家製造業與資通訊產業發展的現況外，也可以看出一個國家對未來教育的方向，更是該國學生對於創新能力的展示。

為了符合教學現場的需求，教育機器人產品百家爭鳴，當規模夠大，使用人數夠多時，一場場限定機型的機器人比賽就會越來越多，但在國內由於主要目的在於使用某產品來比賽，相對地就限縮了比賽的規模及學生創意。反觀國際級的機器人競賽，主要以年齡來區分，大致上可分為創意賽、場地策略賽與場地競技賽等三種類型，按比賽規模較大的比賽有：WRO世界機器人奧林匹克競賽、Botball、Vex機器人競賽、及FIRST系列機器人比賽……等，族繁不及備載。上述的機器人競賽中其中有一項較特別的是成立於1989年的FIRST系列競賽，介紹如表1及以下。

表1. FIRST系列的四類競賽依年齡區分階段
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而在上述的FIRST競賽中難度最高、最值得一提的是FRC競賽，目前仍被視為全球高中機器人大賽中最高等級的比賽，每年超過25萬美國高中生參與，FRC賽事獲得全球100多所大學的認可。如麻省理工學院、哈佛大學、耶魯大學、哥倫比亞大學、多倫多大學、波士頓大學等。在美國很多學校的大學申請表上都會要求註明申請人是否參加過FIRST項目競賽。在FRC決賽比賽現場就有包括麻省理工等世界名校的工作人員，向學生介紹申請學校的相關事宜，有不少高中生都因為在比賽中表現突出而獲得入學的機會並獲得獎學金，據統計麻省理工學院每9名學生就有一名曾參與FRC的競賽活動。

FRC機器人競賽可以說是STEM教育的集大成者，該比賽不僅僅只是製作機器人，除了讓想法經由動手做實現外，還必須與商業完美結合才能永續的經營該團隊。所以，FRC強調的是一個團隊合作而不僅只有機器人競賽而已。以學生為中心，參賽高中生除了要解題，設計製作機器人外，還必須要做外部宣傳、做公關、拉贊助才能夠維持團隊運作所需之經費，所以，比賽的評分項目不僅只有學生的科學知識、動手做能力還必須講究團隊合作、商業營運、宣傳推廣的能力。
FRC最迷人的賽制及國內目前的發展分述如下:

一、 FRC的賽制說明

FRC的賽制簡單地說就是「競合」，其特點在於在預賽的積分賽中由系統在每一回合隨機抽取3支隊伍組成聯盟互相對抗，每支隊伍必須在一天半的競賽中打10場比賽，計算積分後，最後再由積分最高的前8隊自選隊友組成新的聯盟進行決賽，所以上一場的敵手有可能是下一場的隊友。因此，在競賽中，不只要照顧好自己的機器人，更需要與每一隊互相合作、分配任務完成每一回合積分賽。這便強迫每一個隊伍都需要在賽前找同盟隊友了解隊友機器並互相溝通比賽策略，甚至遇到該回合隊友機器出問題，大家都是主動協助並願意出借零件，希望能夠把該隊的機器人修好，這是在一般比賽很難見到的。

所以，參加FRC的隊伍必須要會觀賽，將每一支同場參賽的隊伍做數據統計及分析，了解每一支隊伍機器人的特性，在每輪積分賽與隊友討論作戰策略時，這些數據就變成說服彼此的重要數據。更重要的是，在決賽自組聯盟時，前8強的隊長必須要有足夠的數據來擬定選隊友的戰略戰術，決定每一輪該選那一隊組成聯盟，因為有可能你想要組隊的隊伍可能被挑走了，使得決賽組隊也充滿的許多未知的挑戰，各隊必須要有明確的選擇方案如同卡牌遊戲一樣。而在這樣的賽制下，機器人的製作方向便會因執行比賽任務的方式而有不同的策略，不見得每一隊都要針對任務發展全能型的機器人，有時反而只能執行簡單任務但卻擁有可執行干擾任務的隊伍就會是強隊積極想拉攏以組成聯盟的隊伍。 由於這樣特別的賽制，讓每一個參賽隊伍的機器人都是各有特色各有巧思，誰能在積分賽中取得前8強的位置就變得很難說。而藉由隊伍間的組隊，可以讓學生培養人際交往與溝通能力，拓展人脈、開闊眼界，比賽的結果就是盡力就好，玩得開心比輸贏來的更重要，跟著主持人融入比賽，享受比賽，讓這個競賽，歷經28個賽季，每年2月底到4月初吸引全球3,600多個隊伍參加，超過75,000名的全球高中生，在全世界多達65的區域賽中同場競技。

二、 2020 FRC區域賽即將在台灣舉辦

在這兩年(2018~2019年)，科技部透過「前瞻基礎建設經費」補助中科管理局及南科管理局成立「智慧機器人自造基地」，分別協助輔導國內高中職學校組隊參加FRC，使得國內的隊伍數在今年由個位數快速增長至20隊，總計超過500名師生遠赴美國及澳洲參加區賽，其中有6隊更取得前進底特律決賽門票的殊榮。在總決賽結束後，蔡英文總統接見今年獲獎的3支隊伍，更期勉：盼未來得獎的機器人能放入總統府。而在今年4月由中科管理局與FIRST總部簽署MOU，爭取主辦2020年國際區域賽，如果進度順利，2020將可讓國內更多高中生在台灣就可體驗到世界級賽事場地規格與國際區域賽氣氛，擴大學生的國際視野，在國際舞台上展現台灣機器人教育成果。
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圖3. 2019 FRC澳洲FRC Southern Cross Regional區賽所有參加台灣隊伍合照。

國內CP值最高的機器人競賽

對於不少學生而言，說到機器人就會想到高單價的機器人設備，接著就會開始有認為參加機器人就是一項花大錢的軍備競賽，並不是人人玩得起的刻板印象。但回歸到高中的教育體制中，為了因應108課綱科技領域的變革，由全國高中生活科技學科中心主辦的全國高中生活科技學藝競賽也開始轉型為以機電整合為主的機器人競賽，只要對機器人設計與製作有興趣的學生都可以報名參加。自2014年第7屆遙控投擲裝置設計與製作開始就將機器人機電整合的元素加入競賽中，結合場地策略與操控競技的方式鼓勵高中生以自製機器人來解決問題，2015年第8屆至2019第12屆競賽就以遙控資源分類裝置之設計與製作為題，配合自造運動的興起，鼓勵學生自己設計製作，除了可藉由傳統工具加工製作零件外，更鼓勵使用數位機工機具如3dp、雷切機或CNC來製作所需的機構與結構，進而組裝成機器人來解決任務，而該競賽不僅是只有設計與製作，學生也必須自製簡報向評審說明自己的創作以及設計特點，是一項考驗學生團隊合作與自製機器人的競賽。而且更重要的是，這是一項跨平台的競賽並沒有所謂的「綁平台的限制」，僅限制總電壓12V並將使用現成關鍵組件比例納入評分(鼓勵自製)，學生透過機器人去學習的是如何運用工具去實現創意，解決問題，而不是將學習綁住在某個平台上或某項產品上。所以，當開源的開發板如Arduino 、Raspberry Pi或是MTK的Linkit系列，配合對應的Library及sensor已經可以解決目前大部分高中生活科技學藝競賽試題。再者，近三年高中生科競賽，更新增創意組針對一個創新主題讓學生利用設計思考，分析主題，了解專業知識、進而有能力提出自己的創作，將想法具體地呈現出來，而這些能力也已經規劃在108課綱中科技領域中加深加廣的「工程設計專題」與「科技應用專題」課程中，對於未來高中生了解工程領域有相當大的幫助。 機器人賽事分享4
圖4. 第12屆生活科技競賽競賽情形

結語

回頭看看國內的機器人競賽方式，很多競賽方式就是機器人放下去兩回合定生死，或是回合賽落敗後，就會看到不少學生在一旁玩手機，好像比賽再也不關自己的事情，而這往往讓競賽的美意大打折扣，細看FIRST系列機器人競賽，從題目設計到競賽模式，是有計畫地從小到大發展機器人教育。參賽目的不再侷限是為了得獎，而是著重在參賽的歷程中，讓學生可以自我的探索，找到自己在團隊裡的定位，學習如何利用團隊的力量結合所學知識及可用資源，讓知識運用更有成效和思考更靈活，除了要完成競賽的任務更希望能關懷他人、拓展人脈。如果國內的機器人也能慢慢改變競賽進行的方式，讓隊伍之間多點互動，讓競賽是為了學習其他隊伍的長處，享受比賽而不是僅在於得名，這樣的改變相信一定可以孕育出更具有創造力、問題解決能力及團隊合作的科技人才。













新北市立安康高級中學
蘇鼎欽