编程机器人是现在的大热门，怎么带娃玩？从哪儿入门？怎么入门？逃爸带逃逃和几位小伙伴组成的团队玩了小半年，今天请他来给大家分享下经验心得。稍微需要提醒下大家的是，理工爸爸写怎么玩编程机器人，文章干得有那么一点点噎。不过，如果你正在陪娃玩，或者在不久的将来打算开始带娃玩，是蛮值得参考的一篇技术帖。
带着六位小朋友经过半年的准备，终于在上个月试水了第一次FLL，也就是俗称的乐高机器人编程比赛。这篇文章趁热打铁，聊聊针对孩子的机器人编程。
我们参加的FLL，是First Lego League（中国官网翻译成“工程挑战赛”）的简称。这是一个针对9~14岁孩子团队合作的全球性竞赛，主要考察3个项目，机器人比赛是其中之一。这个项目需要使用乐高的MINDSTORMS EV3组件，制作出机器人，并完成若干个指定任务。这是最低级别的机器人编程比赛，面向的孩子年龄最小，要完成的任务也最简单。（其实还有一个面向6~10岁小朋友的FIRST Lego League Junior，FIRST乐高联赛儿童赛。不过这个比赛和机器人没多大关系，孩子只需要为一定的目标用乐高设计和搭建好场景，并通过制作海报来向评委展示自己的作品就好。） 在FLL之上的级别叫FTC（First Tech Challenge科技挑战赛），针对12~18岁，再往上叫FRC（First Robotics Competition机器人挑战赛）, 针对14~18岁。当然再往上还有针对成年人的机器人俱乐部，那就更专业了。
听一位行内的师姐说，这三五年参加FLL的队伍呈井喷式增长。就我们所在的达拉斯地区，三年前的比赛就百来个队，只需要比一天。而今年这次比赛有400多个队伍，3000多个队员，需要连续比三个周末才能比完。而且除了上面提到的First系列，还有很多其他的针对孩子的机器人比赛。 比如世界教育机器人大赛WER， VEX机器人大赛等等，这几年增长都挺快。我还纳闷为什么机器人编程突然这么火，不过想想也是情有可原。人工智能眼看就要秒杀人类，机器人进入千家万户的时代是呼之欲出。让孩子们从小就熟悉机器人是怎么创造出来的，就是和时代接轨。 以后当人类被机器人统治的时候，也算是知已知彼，不会太不习惯^_^。
《纽约客》去年一期的封面漫画：人类向机器人乞讨
下面是我理解的孩子的机器人编程，看看他们该怎么和时代接轨，迎接未来。
什么是机器人编程首先，什么是“机器人”？ 这个概念其实挺模糊。第一感觉，“机器人”不就是机器做的人。可除了电影里的变形金刚还算够格，那些生活里的扫地机器人，聊天机器人，和流水线上的装配机器人，哪里有“人”的影子？想想“机器人”就是翻译界的通假字吧，是Robot这个词一开始就翻译错了，只不过将错就错下去，直到大家见怪不怪，直到在“机器人”的展台上放只机器猪大家也不觉得有任何违和感。 所以，为了避免歧义，这里有必要先把本文中的“机器人”究竟是什么明确一下。
本文提到的“机器人”是指可以通过重构改变硬件，通过编程改变软件的可编程机器人。它包含的部分如下：
硬件
1. 基本组件。就好像我们常见的乐高玩具，包含各种形状的小组件，可以拼成不同的形状。 这会是机器人的身体。
2. 传感器。这是机器人的眼睛和耳朵，用于获取外界信息。常用的有获取旋转角度和速度的陀螺仪，获取颜色或反光度的光线传感器，获取外界触碰的触碰传感器等等。听上去很高大上，其实最便宜的智能手机里都有。
3. 马达。这是机器人的手和脚，肌肉和关节。所有的位置改变都靠它。
4. 控制器。这是机器人的大脑，决定机器人的行为。 通过和传感器连接获取输入，通过和马达连接控制输出， 通过和电脑连接将程序注入。 此外控制器可以接收遥控输入，还可以有图像或者声音的输出。
下图是乐高EV3系列中的触碰传感器，马达和控制器。传感器和马达不止一个，这里只是取了一个举例子 。
软件
一段程序，在电脑或Pad上编写，拷入控制器后执行。执行的程序可以获取传感器的输入数据，也可以控制输出。程序本身用的是可视化的编程语言，极易上手。
机器人编程，就是用硬件构造一个身体，用程序给它一套逻辑，利用它的传感器和马达，完成一系列的任务。
针对孩子的机器人编程组件，市场上已经有很多。这些组件都包含上面的软硬件要素，让孩子从零开始，实现初步的机器人编程。最流行的编程组件估计是乐高的Mindstorm EV3，和国产的能力风暴Abilix。两个国际性的机器人编程大赛（FLL和WER）分别是以它们为基础。他们其实很相似，要说区别，我觉得主要是下面几点。
1. Abilix的组件要比乐高的大一圈，可能因此觉得乐高的要精致些。
2. 乐高里的组件都是标准化的，也就是说乐高海量模型里的组件与EV3是兼容的。而Abilix专业做编程机器人，只有针对机器人的模型，其组件的选择肯定要少些。
3. Abilix的组件大多是两维可连接，而乐高只有一维。应该是材料学的进步，让两边开口还能保持一定的强度。下图可以看出，同样的一个L型组件，乐高（白色）一边开口，Abilix（黑色）两边开口，这让搭建的选择会更多些。
4. 都是可视化编程语言，但设计不同。Abilix用的是业内标准的Scratch儿童编程语言，而乐高是自己的设计。倒是都挺好用。
如果想让孩子尝试机器人编程，我建议如果不差钱懒得挑，就选乐高的EV3。如果走性价比，就选Abilix。如果想让孩子参加某个竞赛，那就看人家指定的是哪种。
机器人编程启蒙第一次做机器人的孩子大都挺失望。他们本以为机器人就像童话里的陶瓷姑娘，给她撒上金粉，念段咒语，就可以开心的跳起舞来。可后来发现，自己搭出来的机器人即不美丽也不神秘，而即使这样的机器，搭建是异常复杂，软件实现也是相当困难，而且经常掉链子很不靠谱……哦，怎么说呢，孩子们，欢迎来到真实的世界，欢迎换个视角来观察问题。
用工程师的视角来看待问题，是做机器人给孩子的最大收获。机器不通人情，不会因为你的努力而通融，不会因为你的才华而动心。和它打交道，就得按照它的方式来，没有捷径。孩子完全不缺想象力，缺的是想象力和现实世界的妥协，不知道心中炫酷的想法如何一步一步实现。我想说，在机器人面前，把艺术家的天马行空暂时收起来，换用工程师的严格和脚踏实地来看看这个世界。
下面分别从硬件、软件和设计三方面来说说如何指导孩子做机器人编程。
机器人硬件
就乐高机器人的搭建来说，以前那些按照说明书搭建起来的乐高模型，都是浮云。逃逃和我以前搭过几十套模型，想想也算业内资深人士，可扔掉说明书开始搭建机器人的那一刻，完全抓瞎，一些基本的需求以为很简单，可自己就是没法实现。那几十套的搭建经验，远不如一个早上系统学习的收获大。 下面是我觉得需要系统学习的两点：
1、熟悉基本组件和基本技巧
知道你拥有什么，才知道你可能做出什么。对基本的组件非常熟悉，做的时候才能得心应手。以乐高里最常用的两个单位长度的连接件为例。长度一般模样类似， 为什么会有不同的颜色，仅仅是为了让做出的东西更多彩吗？其实，不同的颜色后面是不同的功能：黑色的连接是圆口有摩擦的，白色的是圆口没有摩擦的，蓝色的是一边十字口一边圆口有摩擦的，红色的是两边十字口的。 熟悉这些连接件，才能知道你可能做出怎样的扩展， 才能轻松的找到那个你需要的。
除了基本的组件，还需要知道搭建的基本技巧。比如说我们经常需要将两条长梁或平行连接， 或垂直连接。每种需求可以用哪些连接件以怎么的组合实现？不同的方式有何不同，又有何优劣？ 这些技巧给你实现需求的最好的方式，让你事半功倍。这里推荐一本书《The Lego Mindstorms EV3 Discovery book》，主要讲的是EV3的软件编程，其中有两章讲了硬件基础，不长，很实在。有兴趣的朋友欢迎看看。
2、熟悉齿轮
机器人的动力系统，是搭建在电机和齿轮之上。 电机提供动力，而齿轮可以改变旋转的速度，方向和力矩，也可以改变力的形态，将动力以不同的形式传递出去。电机和齿轮一起，构成了机器人的动力基础。
电机的应用很直接。要么连着轮轴直接旋转，用么连上齿轮将力转化或传递出去。 而齿轮是有点难的，要用到一点点数学，了解一点点杠杆，最好还需要明白力和力矩的概念。不过下点功夫去理解齿轮，也就能了解真实世界里很多机械背后的原理，逃逃就趁着这个机会学习了汽车里的变速箱，这可是很划算的。
乐高里的齿轮大体分正面齿轮，侧面齿轮和蠕虫轮。组合起来的用法很多，建议多做些简单的练习，打好基本功，熟能生巧，到时候信手拈来。 下面是逃逃和我做的几个例子（基于EV3）.
1. 招财手
2. 打桩机
3. 正面齿轮传动。 最右边的齿轮带动左边两个黑色齿轮转动，它们方向相反。
4. 侧面齿轮传动。 黄色齿轮带动两个黑色齿轮以相反方向转动
5. 蠕虫齿轮
6. 简单的变速箱
硬件有了，再说说怎么去做软件。
机器人软件
编程无外乎就是收集信息，做出反应。那么机器人的输入和输出是什么，它可以收集哪些信息，做出什么样的反应，又能实现什么样的逻辑呢？
1. 输入设备：传感器
机器人通过传感器来收集信息。 了解传感器，就是了解机器人触碰世界的能力。常用的传感器比如检测颜色和反光度的光线传感器；探测离障碍物距离的超声波和红外线传感器，测量旋转角度和速度的陀螺仪，等等。软件里面有专门的模块去获取传感器的数据，很简单。
2. 输出设备：电机
机器人通过电机做出反应。再复杂的动作，都是通过对电机实现，无外乎就是转的快一点，慢一点；正着转或者反着转。 有些机器人还能显示图像，声音，也算是对外界的输出吧。
3. 编写程序
和很多面向孩子的编程软件一样，机器人编程平台提供的编程模块很丰富，操作起来也很简单。全程用鼠标拖拽，再改几个属性即可，很适合孩子上手。 软件里众多的要素，比如循环，函数，条件判断，逻辑计算，甚至很高级的数组，多线程等等，它都支持，而这足以支撑起一个复杂的程序，实现复杂的编程思想。机器人编程这个主题可是够写几本书，开一门课，或者设一个专业，建一个博士后流动点什么的。这里就不细说了。
下面是个小例子，程序通过光线传感器检查地面的反光度得到颜色，根据地面是白色还是黑色控制两边的电机让机器人左偏或右偏，以实现机器人沿黑线走的功能。这是最后的效果，截了一小段，大家看个意思。
4. 机器人编程和纯软件编程的区别是什么？
纯软件是个虚拟的世界，简单而完美。而真实世界太复杂了，并且总有意外。 因此就需要更健壮的软件去化解这些复杂，处理这些意外。
举个例子来说明下硬件编程有多复杂。假设我们已经搭建好了一个通过两个电机做轮子驱动的机器人，我们看看如何编程让他实现“直行一米”这个在软件里一行代码就可以搞定的事。可能听上去会有些专业，但没办法，这是最简单的机器人编程都需要考虑的问题。
第一，因为着地点摩擦力不均以及电机微小的偏角误差，走直线的命令在实际中会产生偏差。走的越远，偏差越大。因此走直线需要通过陀螺仪校准，因为它可以记录机器人偏转的角度。在出发前将陀螺仪清零，在行进时根据偏转的角度不断进行调整。 调整的角度需要和偏转的角度相关，偏的越少，调整的也越少，这样可以尽快调正方向，又可避免矫枉过正走成之字形。
第二，程序上写的1米，可机器人并不会真的走1米，肯定会有误差。机器人停下后要检测轮子实际行进的距离， 多退少补再做微调。如果调整后陀螺仪显示方向有偏，再做调整确保机器人无偏， 调整的距离就是无法消除的误差。
第三，电池的电量会影响电机的准确度，进而影响行进的距离，速度以及偏角。 要想每次运行的结果完全一样，要么保证运行时的电量不能差别太大，要么根据电量的多少对行为进行补偿。我们测试时发现机器人在运行两三个小时后行为就开始出现偏差，就得充电了。
第四，机器人会偶尔出现死机，读数不准等硬件错误。比如我们发现EV3的陀螺仪有时候会突然出错，在静止状态下读数也会改变，必须重启机器人才能恢复。控制器本身可能会死机，也必须重启才能恢复。
做软件测试，一次通过次次通过 。而机器人，前5次都成功了，第6次还是需要祈祷才行。 复杂的世界，需要复杂的程序让他去实现简单的事。我想这也是机器人编程教给孩子很重要的一点。
机器人设计的原则
软硬件都打了点基础，现在有资格说说机器人的设计要注意什么。
1. 专注于需要完成的任务。没有规定机器人一定需要做成什么样子，得具备什么样的功能。不管黑机器白机器，能完成任务的就是好机器。机器人的设计只为这个目标服务，其他都不用考虑。
2. 尽量简单。和所有事一样，越简单越不容易出错，每一个部件都应该是有用的为目标服务的，否则就把它扔掉。孩子们喜欢给机器人加许多花哨的装饰，想象力应该用在怎么样做的更简单，每一个装饰都是有代价的。
3. 他山之石可以攻玉，网上资源很多，看看其他人是怎么做的。
对于一个有10多年编程经验的理科生来说，熟悉最初步的机器人编程都需要时间，何况一个孩子。所以机器人编程必须要有大人的引导，希望你也有兴趣，能带着孩子一起用工程师的视角去看看这个世界。能想象十年之后我们身边会有多少机器人吗？今天孩子们完成的那个简单的任务，也许就是一个伟大的开始。
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