【機器人講堂】玩機器人可以學到什麼？

Posted By 阿里哥 on 4 月 18, 2017 in 案例研究, 機器人, 綜論 | 0 comments

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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。

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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。

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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?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。