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了小半年，今天請他來給大家分享下經驗心得。稍微需要提醒下大家的是，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。

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帶著六位小朋友經過半年的準備，終於在上個月試水了第一次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，製作出機器人，並完成若干個指定任務。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係，孩子只需要為一定的目標用樂高設計和搭建好場景，並通過製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，那就更專業了。

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，只需要比一天。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。而且除了上面提到的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。人工智慧眼看就要秒殺人類，機器人進入千家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。可除了電影里的變形金剛還算夠格，那些生活里的掃地機器人，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了，只不過將錯就錯下去，直到大家見怪不怪，直到在「機器人」的展台上放只機器豬大家也不覺得有任何違和感。 所以，為了避免歧義，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體，通過編程改變軟體的可編程機器人。它包含的部分如下：

硬體

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. 感測器。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感測器，獲取外界觸碰的觸碰感測器等等。聽上去很高大上，其實最便宜的智能手機里都有。

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。 通過和感測器連接獲取輸入，通過和馬達連接控制輸出， 通過和電腦連接將程序注入。 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系列中的觸碰感測器，馬達和控制器。感測器和馬達不止一個，這裡只是取了一個舉例子 。

軟體

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感測器的輸入數據，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，就是用硬體構造一個身體，用程序給它一套邏輯，利用它的感測器和馬達，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體要素，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緻些。

2. 樂高里的組件都是標準化的，也就是說樂高海量模型里的組件與EV3是兼容的。而Abilix專業做編程機器人，只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，而樂高只有一維。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，那就看人家指定的是哪種。

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里的陶瓷姑娘，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，搭建是異常複雜，軟體實現也是相當困難，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穫。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。孩子完全不缺想像力，缺的是想像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，把藝術家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。

下面分別從硬體、軟體和設計三方面來說說如何指導孩子做機器人編程。

機器人硬體

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穫大。 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。以樂高里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，僅僅是為了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， 才能輕鬆的找到那個你需要的。

除了基本的組件，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的軟體編程，其中有兩章講了硬體基礎，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，構成了機器人的動力基礎。

電機的應用很直接。要麼連著輪軸直接旋轉，用么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，了解一點點槓桿，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，也就能了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了汽車裡的變速箱，這可是很划算的。

樂高里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）.

· 招財手

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· 打樁機

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· 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。

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· 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

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· 蠕蟲齒輪

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· 簡單的變速箱

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硬體有了，再說說怎麼去做軟體。

機器人軟體

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：感測器

機器人通過感測器來收集信息。 了解感測器，就是了解機器人觸碰世界的能力。常用的感測器比如檢測顏色和反光度的光線感測器；探測離障礙物距離的超聲波和紅外線感測器，測量旋轉角度和速度的陀螺儀，等等。軟體裡面有專門的模塊去獲取感測器的數據，很簡單。

2. 輸出設備：電機

機器人通過電機做出反應。再複雜的動作，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體一樣，機器人編程平台提供的編程模塊很豐富，操作起來也很簡單。全程用滑鼠拖拽，再改幾個屬性即可，很適合孩子上手。 軟體里眾多的要素，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複雜的程序，實現複雜的編程思想。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。這裡就不細說了。

下面是個小例子，程序通過光線感測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，截了一小段，大家看個意思。

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4. 機器人編程和純軟體編程的區別是什麼？

純軟體是個虛擬的世界，簡單而完美。而真實世界太複雜了，並且總有意外。 因此就需要更健壯的軟體去化解這些複雜，處理這些意外。

舉個例子來說明下硬體編程有多複雜。假設我們已經搭建好了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」這個在軟體里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，這樣可以儘快調正方向，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，就得充電了。

第四，機器人會偶爾出現死機，讀數不準等硬體錯誤。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。

做軟體測試，一次通過次次通過 。而機器人，前5次都成功了，第6次還是需要祈禱才行。 複雜的世界，需要複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。

機器人設計的原則

軟硬體都打了點基礎，現在有資格說說機器人的設計要注意什麼。

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。機器人的設計只為這個目標服務，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，想像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。能想像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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