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【機器人講堂】玩機器人可以學到什麼?

作者:阿里哥

我們今天將由玩家的角度出發,來聊聊可以由玩機器人身上學習到哪些知識。

當我們建造一隻機器人,並讓它能順利依我們的要求,完成該負責的工作:接收環境訊息、判斷決策並做出相對應的動作,不算是一件容易的事。這需要高度整合各領域的技術,包括工程(機械、電子、電機、電腦、仿生)、理學(數學和物理)和藝術(美學)等等。如果更進一步思考機器人和人類和自然環境間的互動,那麼連心理和社會科學等知識,也會被涵蓋在這個範圍內。

當然,在短短的一篇文章中,很難詳細介紹全部的內容。因此,我們將由組裝過程中會接觸到的工程知識開始說起,這至少包含:機械、電子、電機、電腦和仿生各領域的知識。

1. 機械(機構組裝)

機械領域包含範圍很廣,像是:外觀設計、結構設計、3D繪圖、零件製作、手工具的使用等等,都可以歸類在這個範圍內。其中「機構組裝」通常是我們在學習機器人時,最早期會接觸到的領域。

以組裝DIY套件為例,使用者首先面臨的挑戰就是機構的組裝。多自由度的機器人使用的零件配件可能非常多,再加上常會遇到結構件的尺寸或對位不一定精準的狀況,可能出現干涉或是尺寸有些微差異等問題。

組裝常用的手工具

因此我們會需要使用手工具和簡易的工具機加工,來修正這些零組件。而在安裝過程中,我們也常常需要對配件的位置做微調,甚至重新安排配重。當然像是鎖螺絲、去毛邊、擴孔等等的動作,更是必備的基本技能。

正在進行機構組裝的小玩家 (圖片來源:MiniPlan)

2. 電機(電機控制)

電機控制在機器人的學習中,也扮演著重要的角色,其中包含了機器人的電力系統和制動器(伺服機/馬達等)。

「制動器」學術一點的定義是將能量(一般而言,在機器人中大多使用電能)轉換成物理運動的裝置。講白話文,就是可以讓機器人動起來的裝置,像是馬達或伺服機。因為機器人往往需要執行各式各樣的動作,因此,要為機器人選擇正確的制動器,除了需了解坊間有那些裝置可應用之外,還需要機器人設計師加入一些想像力,以及一些數學和物理的知識。

伺服機示意圖

另外一個和電機控制相關的重要部分就是電力系統。像是怎麼供電?需要多少時間充電?使用的電壓電流是多少?以及電池的各種形式等知識,都會在組裝過程中持續學習、累積。

機器人身上的可動關節,皆由不同的伺服機控制 (圖片來源:MiniPlan)

3. 電子(電路串接)

當我們組裝好機器人的結構和制動器之後,接下來就進入處理電子相關問題的階段。

主控板與電路串接

在決定選用哪一張微控制板、馬達控制板和合適的感知器後,電子相關的問題馬上接踵而來,例如:電路板設計與測試方法?電壓電流?什麼是接腳?接腳功用是甚麼?各式配件要接哪幾隻腳?怎麼選擇微處理器?所標註的規格是甚麼意思?甚麼是高電壓/低電壓?類比及數位及相互轉換?通訊協議又是什麼?什麼是UART?SPI?I2C?如果不是電子背景的玩家,在這個階段很可能會被這些問題搞得頭昏腦脹。

4. 電腦 (程式開發)

微控制板很多時候可被視為一台小電腦。機器人所經歷的感知、判斷和執行三大步驟,這樣的架構本身就是電腦技術的延伸。其中用來控制機器人的程式碼,更被視為機器人的靈魂。程式編寫通常是製作機器人的最後一個步驟,然而若少了這個步驟,機器人將只會是一個精緻而昂貴的模型。

目前坊間有許多程式語言,可用於微控制器的程式編寫,像是:組合語言、C/C++、JAVA、Python和Processing(Arduino)等等。在選擇微控制器時,一定要特別注意它使用的語言;錯誤的選擇很可能會影響未來機器的程式開發過程的痛苦指數,以及其相容和擴充性。

另一方面,就是要特別注意微控制板商所提供的人機編輯介面,因為好的介面可以節省玩家非常可觀的學習和開發時間。

人機介面示意圖 (圖片來源:Torobot)

5. 仿生(仿生運動)

仿生學(Bionics)這個名詞來源於希臘文「Bio」,意思是「生命」,字尾「nic」有「具有……的性質」的意思。仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種特殊本領的一門科學,它著重於了解生物的結構和功能原理,並利用這些原理,來研製新的機械和技術,或解決機械技術的難題。

仿生學在機器人中,最常被應用的就是讓機器人移動的方法。為了讓機器人執行任務,「如何讓機器人本體移動」是一個非常重要的課題。這樣的需求,除了採用機械移動方式,像是輪子或是履帶之外,另一個普遍應用的方法,就是師法地球上各類可以自由移動生物的移動方式。

在自然界中,常見的生物的移動方式,至少包含下列數種:雙足移動(例如:人類、企鵝)、四足移動(狗、豹)、六足移動(昆蟲)、八足移動(蜘蛛)、腹足移動(蛇)、跳耀移動(袋鼠、跳蚤)、飛行(鳥類、昆蟲)、水中移動(魚類、有蹼動物)等等。而最讓人興𡚒的是,上述所有的移動方式,目前都已經有相關的機器人被實驗室和研究機構開發出來了。

仿生機器人 (由左到右模仿人形、蜘蛛、鳥類)

四足仿生機器人展示影片:

小結

機器人是一門高度整合工程、理學和藝術的科學。我們在本文中以玩家的角度出發,分享一些可由機器人身上接觸到工程領域(機械、電機、電子、電腦和仿生)的知識。您若是對任何一個領域產生興趣,想要進一步學習,拜網路科技所賜,隨時都可以在網路上和社群論壇中,找到更廣泛且更深入的相關訊息。

(本文同步發表於九號空間文章連結;責任編輯:賴芳如)

阿里哥

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九號空間創辦人,熱愛機器人,設立九號空間希望能讓人們更容易進入機器人的世界!
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