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机器人怎样演绎“鹊桥相会”
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科学人
网站 2004-07-17
曾经有一个古老而美丽的传说，传说中的织女星私自下凡，与勤劳的牛郎结为夫妻，过着美满生活，然而专制的王母娘娘用银河逼迫这对夫妻分离。喜鹊同情他们，每年阴历7月7日飞到天上用它们的身体架起一座鹊桥，使相思的夫妻跨过鹊桥相会一次。
多少年来，这一直是感人的爱情故事，当故事与科技结合，梦境成了现实，样子看起来有点笨拙的机器人如何演绎这段充满浪漫色彩的情缘？
这就是第三届全国大学生机器人电视大赛的主题：机器人演绎“鹊桥相会”。
近日本报记者有幸采访了本次大赛的评委，北京航空航天大学机械工程及自动化学院宗光华教授。
“牛郎”“织女”如何相会？
宗光华教授告诉记者：本次大赛的主题就是源于这个美丽的传说，根据传说，大赛组织者通过比赛构筑未完成的鹊桥，利用自动机器人从“牛郎区”运送定情信物到“织女区”，实现鹊桥相会的浪漫演绎。根据各队得分表现而分出优劣。
比赛场地大体分成三个区域，“牛郎区”、“织女区”和“银河区”。在“银河区”中设有“鹊桥”，这个“鹊桥”是个不完整的桥，上面缺三块木板。
参加比赛的代表队有手动和自动两种机器人。手动机器人，又称为遥控型机器人，充当“喜鹊”，它的任务是要把所缺的桥板架到“鹊桥”上，把“鹊桥”先给搭好。在“牛郎区”，放有普通礼品和贵重礼品（一个3公斤重的立方体），当手动机器人把“鹊桥”铺好后，自动机器人，以计算机作为自己的大脑，不需要人干预就能够独立行动，它们充当“牛郎”，要带着贵重礼品在三分钟内通过“鹊桥”，并且把礼品送到早已等候多时的，含情脉脉的“织女”手中（实际上就是一个象征织女双手的圆盘），这就叫“相会”。
“牛郎”怎样顺利过桥？
对于自动机器人来讲，要想带着三公斤重的贵重礼品，在三分钟内通过“鹊桥”，演绎这段曲折的爱情故事，势必会有一段惊险的路途。因为“鹊桥”长约5米，很窄，还有一段长1米、倾斜15度左右的斜坡，一不小心就会坠入“银河”，为爱情粉身碎骨。那么，机器人怎样才能顺利通过“鹊桥”呢？
宗光华教授说，机器人的反应速度必须很快，一旦感觉到方向偏离“鹊桥”，就应赶紧掉头，否则稍有不慎就会坠入“银河”。
和人相似，机器人的反应速度很大程度上取决于“大脑”的处理速度。他的大脑就是一种微型计算机，这种计算机把各种功能集成在一块硅片上，体积小，重量轻，嵌入机器人身体内部，按固定的程序处理从外界传来的各种信息，根据处理的不同结果发出不同指令，控制机器人的运动。所以，要提高机器人的反应速度，关键是使用具有较高运算能力的这种微型计算机。
拿什么判断方位？
人类感受到的外界信息，往往是通过眼睛观看，皮肤触摸，这些不同的信息，包括冷觉、温觉、距离、图像等被转化成大脑能够识别的信号后，再送到脑部处理。
作为人类的模仿物机器人，它自己也有感受外界信息的“器官”，这些“器官”称为传感器，其作用就是把外界的信息转变成能被计算机识别和处理的信号，以便机器人随时掌握外界情况，做出不同的指令。
参与这次比赛的机器人大都安装了光电传感器或超声波传感器。这种传感器发出红外线或超声波，遇到障碍物就反馈回来信息，机器人就靠这些信息来判断方位。
在“鹊桥”上，为便于机器人行走，还专门设有一条白线。启动后的机器人会压着这条白色轨道行走，不会偏离。一旦有微小偏离，传感器会自动告诉机器人纠偏的方法，使机器人能够立刻回到原路上行走。循着这条轨迹“牛郎”可以最终找到“织女”。
坠入“银河”怎么办？
毕竟，机器人仅仅是模仿人类一部分行为特征，远不能像人那样具有迅速的处理问题的能力，再加上“鹊桥”设计难度很大，这就注定会有一些“牛郎”不幸失足坠入“银河”，失去与美丽温柔的“织女”相会的良好时机。
为了让“鹊桥相会”的场面演得更精彩，更加动人心弦。大赛在“牛郎区”设有1分箱，在“织女区”设有2分箱，如果自动机器人不能通过“鹊桥”把贵重礼品送到“织女”手中，但可以把普通礼品送至1分箱或2分箱，它也能得到相应的分数。
不过，如果“牛郎”拿了普通礼品，想把它投进“织女区”的2分箱里，虽然不再有险象环生的“鹊桥”经历，但它必须要穿过漫漫“银河”才能到达，而在“银河区”，不再有白线牵引，只能完全靠机器人自己摸索。
如何到达2分箱？
那么，“牛郎”如何才能知道“织女区”的2分箱在什么地方呢？宗光华教授向记者解释说，一个解决办法是靠编程。
事先编好程序，把预定路线编出来，这就好像把一张路线图装到机器人的大脑中，该在哪个方向上前进多少米，然后在哪个地方拐弯，都预先设计好了，机器人只要老老实实，一条一条按顺序去执行“大脑”中的这些程序就行了。但这种方法要求机器人的运动控制得比较准确。
如果机器人按编好的程序路线前进，身体碰到了二号箱，就能按确定的位置，把礼品送到，可是如果程序把路线编歪了，或者机器人执行命令时运动不太准确，机器人就会偏离正确路线，找不到箱，所以说这种操作方式还是比较困难的。
谁是最后的胜利者？
据宗光华教授介绍，这次机器人比赛，竞争非常激烈，场面也很精彩。西南科技大学因机器人设计的速度比较快，稳定性较强，手动机器人搭桥板迅速，自动机器人走“鹊桥”比较稳，经过激烈角逐，最终技压群雄，成为最后的胜利者。
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赛事细则及其它
来自清华大学、台湾明新科技大学、武汉大学等全国35所高校的机器人选手，用机器人之间的角逐来演绎牛郎、织女“鹊桥相会”的故事。对垒的双方选手分别运用手动、自动机器人完成用桥板填补“鹊桥”、运送礼物等一系列规定动作，当一方在规定时间内率先将贵重礼物通过鹊桥运送到象征“织女”的圆盘时，比赛结束。
“牛郎区”、“鹊桥”和桥板上均有白色的迹线。自动机器人可循迹运行。
每队只允许有一台手动机器人，自动机器人可以有多台。比赛开始时，它们由各自的启动区启动。
手动机器人不能接触“牛郎区”的地板和伸到“织女区”、对手“银河区”的上方。
自动机器人可以进入除对方“牛郎区”外的任意区域。
如果某队用自动机器人把贵重礼品送到“织女区”象征织女的双手的圆盘中并停留3秒钟，则该队赢得比赛。“牛郎区”旁和“织女区”内还分别设有1分箱和2分箱，将一般礼品送至则会得到相应的分数。比赛总时间为3分钟，若两队均没有完成贵重礼品的运送，则得分多的队伍取胜。
比赛场地由“牛郎区”、“织女区”、“银河区”和“手动机器人公共区”组成（如图所示）。“牛郎区”分为两个正方形区域，一边供红队使用，一边供蓝队使用。“牛郎区”和“织女区”之间有未完成的“鹊桥”。“牛郎区”中有按规则摆放的一般礼品与贵重礼品。
由于规则规定运送贵重礼品必须途经鹊桥，因此我们必须将鹊桥填补完成。填补鹊桥的是放在“手动机器人公共区”的桥板，大桥板可以填补一个空档，用一块中桥板和一块小桥板可以填补一个空档，它可由手动机器人或自动机器人来完成。 (科技日报)
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