Dvajset let organizacije robotskih tekmovanj na UM-FERI

UM 300x176 - Dvajset let organizacije robotskih tekmovanj na UM-FERIOd leta 2000 do leta 2019 smo na Univerzi v Mariboru Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko (UM-FERI) organizirali in izvedli 20 državnih robotskih tekmovanj v gradnji in vožnji z mini mobilnimi avtonomnimi roboti v različnih disciplinah in za vse starostne skupine mladostnikov.

UM FERI
Avtor: mag. Janez Pogorelc, UM-FERI Maribor
E-pošta: janez.pogorelc@um.si
2021-300-7

V navedenem obdobju je sodelovalo okrog 3000 učencev osnovnih šol, okrog 600 dijakov srednjih šol in okrog 100 študentov iz celotne Slovenije in sosednjih držav. Z omenjenimi robotskimi tekmovanji smo opravili pionirsko delo pri popularizaciji robotike v Sloveniji, hkrati pa smo bili med prvimi v srednjeevropskem prostoru. Cilj tekmovanj je razen objektivnega merjenja uspešnosti v tekmovalni disciplini tudi promocija ob medijski prisotnosti, ki omogoča predstavitev dosežkov širši javnosti, kar posledično poveča interes za sodelovanje in s tem prispeva k dvigu tehnične kulture v družbi.

Od leta 2002 naprej smo na UM-FERI vsa državna robotska tekmovanja organizirali v terminu drugi torek v maju, ko je bil na UM na koledarju Dan študentov, ki je pedagoškega procesa prost dan. Na ta način smo nemoteno izvedli tekmovanja v mnogih disciplinah, kjer je nastopalo tudi po 400 otrok od 10. do 24. leta, ki jih je spremljalo okrog 60 mentorjev. Pri organizaciji je povsem volontersko sodelovalo po 20 do 30 sodelavcev. Takšno tradicionalno celodnevna prireditev, ki združuje slovenska državna tekmovanja v robotiki za osnovnošolce, srednješolce in študente, smo poimenovali »Mariborski robotski izziv«. V zadnjih letih smo organizirali tekmovanje v kar devetih disciplinah in za večino so se morali tekmovalci predhodno kvalificirati v okviru šolskih in regijskih tekmovanj po Sloveniji.

Začetki s tekmovanji za študente in dijake
V jeseni 1999 smo si na Inštitutu za robotiko na UM-FERI zastavili cilj, da z organizacijo tekmovanj motiviramo sposobne študente na FERI za razvojno-raziskovalno delo za področja robotike, vodenja električnih pogonov in avtomatizacije ter promoviramo novo interdisciplinarno študijsko smer Mehatronika. Za manjšo skupino študentov smo organizirali krožek robotike, ki je potekal enkrat do dvakrat tedensko.

Analizirali smo različna tekmovanja, ki potekajo v svetu, in na osnovi materialnih in tehničnih zmožnosti smo se odločili, da pomladi leta 2000 razpišemo prvo tekmovanje z mobilnimi roboti. Odločili smo se za razmeroma preprosti nalogi: sledenje vnaprej podane poti in vožnja po labirintu, za kar smo povzeli in prilagodili pravila našim razmeram po zgledu SRS – Seattle Robotics Society (www.seattlerobotics.org).

Prvo tekmovanje je bilo organizirano predvsem za študente FERI. Prijavili so se 4 kandidati v kategoriji lastne gradnje in 7 kandidatov v kategoriji programiranja nabavljenih komercialnih kompletov. Na predtekmovanju in finalnem tekmovanju se je pojavilo šest študentov z delujočimi mini mobilnimi roboti. Že takrat je bilo za tekmovanje dokaj veliko zanimanje študentov, profesorjev, naključnih obiskovalcev, sponzorjev in tiskanih ter elektronskih medijev (Slika 1). Glede na izkušnje s tekmovanjem smo se odločili, da le-to razširimo na celotno Slovenijo in da povabimo tudi dijake srednjih šol.

V letu 2001 smo razpisali tekmovanje RoboT 2001 tudi za dijaško kategorijo v disciplini vožnje po velikem labirintu v kategorijah:
A) Drugo študentsko tekmovanje v konstrukciji in vožnji z mobilnimi roboti;
B) Prvo dijaško tekmovanje v konstrukciji in vožnji z mobilnimi roboti.

V razpisnem roku se je prijavilo 17 študentov (6 iz FE Ljubljana in 11 iz UM-FERI) ter kar 20 dijakov iz 7 srednjih šol Slovenije. Tako velikemu številu prijav so verjetno pripomogle reportaže s 1. tekmovanja v tiskanih in elektronskih medijih ter objava članka (s podrobnim opisom zgradbe, mikrokrmilnika in programske kode) avtorja zmagovalnega robota v reviji Svet elektronike. Dodatna motivacija kandidatom je bil gotovo tudi nagradni sklad: po 100.000 SIT za vsako kategorijo tekmovalcev in praktične nagrade obeh sponzorjev; podjetji COMTRON in AX Elektronika – izdajatelj revije Svet elektronike; nenazadnje pa je spodbuda za tekmovalce tudi prestiž, zabava in druženje.

Večina tekmovalcev je uspešno prevozila do cilja, nekateri so bili uspešni samo do določene kontrolne točke, posameznikom pa zaradi tehničnih težav ni uspela vožnja. Vsem tekmovalcem (slika 2) je organizator podelil diplome o sodelovanju, po trem najuspešnejšim iz vsake kategorije pa potrdila o doseženem mestu.

Za še večjo popularizacijo robotike in povečanje množičnosti smo v sodelovanju s ŠC Velenje in TŠC Nova Gorica v letih 2002 do 2005 organizirali tečaje za mentorje srednjih strokovnih šol na temo gradnje in programiranja mini mobilnih robotov. Na ŠC Velenje so v ta namen razvili tudi sestavljiv (kit komplet) z mikrokrmilnikom na tiskanini, senzorji in pogonskim sklopom.

V letu 2002 smo zgradili dokaj zapleten labirint (slika 4) z več slepimi hodniki, ki se je razprostiral na površini 2,5 x 2 m in je bil razdeljen na 9 x 7 kvadrantov (razdalje med stenami od 25 do 28 cm), tako da je bila pot dolga več kot 15 m z okrog 36 zavoji in tudi slepimi hodniki. Pri vožnji je bila pomembna poleg natančnih in hitrih optičnih senzorjev tudi kapaciteta napajalnega vira in hitrost pogonskih motorjev ter seveda učinkovit program. Najhitrejši robot je zmogel progo v manj kot 20 s, povprečni pa nekaj nad 40 s, mnogi pa sploh niso prispeli do cilja. Slednjim je tekmovalna žirija zabeležila rezultat kot dolžino prevožene poti (sektor). Kasneje smo v sodelovanju s skupino študentov ekipe RoboTiming dogradili optično senzorje za avtomatsko merjenje časa (vključno z vmesnim časom), shranjevanje v podatkovno zbirko in predvajanje trenutnih rezultatov skupaj s pretočnim videom »v živo« na spletu.

V prvem desetletju je interes študentov za sodelovanje na tekmovanju naraščal (v povprečju na 12 do 15 ekip) in v zadnjih letih upadel (med 4 in 10 ekipami). Interes med dijaki srednjih šol je naraščal in je dosegel v prvem desetletju maksimum (med 30 in 60 ekipami), v zadnjem desetletju pa se je stabiliziral nekje med 10 in 20 ekipami. Zmanjšanje interesa med študenti je verjetno posledica prilagoditve študijskih programov Mehatronika in tudi Elektrotehnika, smer Avtomatika in robotika s predmeti, ki zahtevajo projektno delo v laboratoriju v obdobju semestra (med vsebinami je popularna tudi gradnja mini mobilnih robotov). Zanimanje dijakov srednjih šol je po prvi dekadi tekmovanj RoboT začelo upadati, ker smo pričeli organizirati tudi državna tekmovanja v disciplinah RoboCupJunior, ki se nadaljujejo tudi na mednarodni in svetovni ravni.

Tekmovanja za učence osnovnih šol
Sodelavka Inštituta za robotiko doc. dr. Suzana Uran je že v letu 2003 pripravila in prvič organizirala LEGObum robotsko tekmovanje za učence osnovnih šol za mariborski okoliš. Pri tem tekmovanju je bilo potrebno mobilnega robota zgraditi iz LEGOMINDSTORMS sestavljanke, ki omogoča raznolike mehanske konstrukcije in programiranje robota.
Od leta 2007 smo tekmovanje preimenovali v ROBObum, ki ga tvorita disciplini LEGObum in ROBOsled, in se tudi medsebojno dopolnjujeta. Pri ROBOsled tekmovanju se učenci seznanijo z elektroniko in električnimi deli mehanskega robota. Učenci OŠ morajo zgraditi mobilnega robota iz elektronskih komponent, ki jih vsebuje sestavljanka za samogradnjo. Pri tem se srečajo z veščinami kot so vrtanje, montaža in spajkanje. Sestavljanko, ki je bila za majhen denar dostopna v nekaterih prodajalnah z elektronskimi komponentami, je doc. dr. Suzana Uran razvila in izpopolnila med izvajanjem krožkov in Tehniških dni na mnogih osnovnih šolah po Sloveniji. Z veliko požrtvovalnostjo in prizadevanjem ji je uspelo v večini slovenskih regij vzpostaviti centre (običajno srednje tehniške šole elektro smeri), kjer so organizirali krožke na robotske OŠ in regijska tekmovanja, ki so omogočala kvalifikacijo na vsakoletno državno prvenstvo v Mariboru. V letu 2011 je izvedbo regijskih predtekmovanj ROBObum podprlo kar 14 tehniških srednjih šol po vsej Sloveniji. S tem so na regijskih SŠ prevzeli odgovornost za izobraževanje mentorjev in izvedbo krožkov robotike na okoliških OŠ.

Državna tekmovanja RoboCupJunior

V letu 2010 smo pričeli z organizacijo RoboCupJunior (RCJ) državnih tekmovanj, ko smo po zaslugi doc. dr. Suzane Uran postali sestavni del svetovnega robotskega tekmovanja za starejše osnovnošolce in srednješolce. Osnovni namen RoboCupJunior tekmovanja je izobraževanje in seznanjanje mladih s področjem robotike.

Tekmovanje RoboCupJunior ima tri razrede: nogomet, reševanje in ples. V letu 2010 smo na FERI v Mariboru prvič izvedli slovensko državno tekmovanje RoboCupJunior Slovenija v razredu Reševanje. Tekmovanju v razredu Reševanje se vsako leto pridruži tudi po nekaj ekip v razredu Ples.

Tekmovanje RoboCupJunior v razredu Reševanje poteka na prizorišču (navidezne) nesreče (arena na Sliki 6). Naloga robota je reševanje žrtev. Prizorišče nesreče je dvonadstropno in ga tvori pet sob. Pravila tekmovanja RCJ Reševanje se vsako leto nekoliko spremenijo in na novo določijo konec decembra za naslednje leto.
V letu 2011 je npr. pot, po kateri mora peljati robot na prizorišču nesreče, označena s črno črto na beli podlagi. Med vožnjo na prizorišču nesreče mora robot uspešno premagati občasne prekinitve črte, nizke ovire, ki jih mora prevoziti, in visoke, težke ovire (npr. opeka), ki jih mora zaobiti. Da pripelje robot v drugo nadstropje, mora uspešno prevoziti naklon, v drugem nadstropju prizorišča pa mora žrtev rešiti na evakuacijsko točko. Žrtev predstavlja pločevinka za pijače ovita s kovinsko srebrnim samolepilnim trakom in teže 150 g. Poleg žrtve se lahko v drugem nadstropju nahaja tudi ovira. Evakuacijska točka je za osnovnošolske ekipe označena s črnim trikotnikom v enem od vogalov drugega nadstropja prizorišča nesreče. Za srednje šole pa je evakuacijska točka na črni trikotni ploskvi, ki je od nivoja vožnje robota v drugem nadstropju dvignjena za 6 cm. Vsak robot ima za izvedbo naloge na voljo 8 minut. Vožnja robota mora biti povsem avtonomna. Tudi gradnja robota in program za robota morata biti izvirna in delo ekipe. Premagane ovire se točkujejo. Sestavni del tekmovanja je intervju (predstavitev), ki ga mora opraviti vsaka ekipa in vsak njen član pred komisijo. Namen intervjuja je preverjanje, da je ekipa sama zgradila robota in napisala program zanj in da so vsi člani ekipe prispevali k gradnji in programiranju robota. Na tekmovanju samem morajo RoboCupJunior ekipe delovati samostojno, zato mentorjem ekip vstop v prostor namenjen za ekipe ni dovoljen.

V zadnjih letih se je disciplina RoboCupJunuior (RCJ) razširila z novimi disciplinami: RCJ Reševanje Črta, RCJ Reševanje Labirint, RCJ Nastop (prej Ples), RCJ Nogomet in RCJ Reševanje Simulacija.

Nacionalna koordinatorka za RoboCupJunior za Slovenijo doc. dr. Suzana Uran vsako leto poskrbi, da se najuspešnejše osnovnošolske in dijaške ekipe državnega tekmovanja iz preteklega leta v naslednjem letu udeležijo svetovnega tekmovanja RCJ. Praktično vsako leto v zadnjem desetletju katera od ekip doseže vidni rezultat. Pri tem so bili najuspešnejši dijaki iz SERŠ Maribor, ŠC Celje in ŠC Ptuj.

Eden najzaslužnejših za uvedbo in izvedbo robotskih tekmovanj je bil prvi predstojnik Inštituta za robotiko zasl. prof. dr. Karel Jezernik. S podporo izvedbam tekmovanj sta nadaljevala tudi naslednja predstojnika prof. dr. Miro Milanovič in izr. prof. dr. Aleš Hace. Zahvala za podporo in omogočanje koriščenja prostorov ter človeških kapacitet velja tudi vsakokratnemu vodstvu UM-FERI. Brez volonterskega dela več kot 30 sodelavcev Inštituta za robotiko in iz nekaterih drugih inštitutov ne bi mogli tako uspešno izvesti 20 državnih tekmovanj, pri čemer nas je na dan tekmovanja obiskalo tudi po 400 otrok in mentorjev. Pri tem so najzaslužnejši odgovorni vodje posameznih disciplin: doc. dr. Alenka Hren, Rok Pučko, doc. dr. Darko Hercog, doc. dr. Suzana Uran, prof. dr. Riko Šafarič, mag. Marijan Španer in doc. dr. Franc Mihalič.

Vsi rezultati, fotografije, videoposnetki, razpisi in medijski odzivi za zadnja leta so za tekmovanja RoboT, ROBOsled in RoboCupJunior na voljo na: https://iro.feri.um.si/robotska-tekmovanja. Žal sta bili tekmovanji v zadnjih letih 2020 in 2021 odpovedani zaradi omejitev v zvezi z epidemijo bolezni Covid-19. Upamo, da bomo v letu 2022 lahko zopet organizirali državna robotska tekmovanja.

https://feri.um.si