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作者:鄭智銘(2000-10-29);推薦:徐業良(2004-09-09);最近更新:徐業良(2004-09-09)
附註:本文為元智大學機械系大三機械設計課程學期實作計畫。

機械設計學期實作計畫-機器人投籃大賽

1.     機器人的發展

機器人(Robot)一詞最早是在1923Karel Capek所發表的戲曲「羅沙的萬能機器人(Rossum’s universal robots)」登場,由英文中的“labor”這個字加以變化而產生,現在已經成為世界廣泛通用的名詞。

機器人在劇作家與小說家的筆下,是模仿人類形體、擁有智慧進而服務人類的角色,早期的機器人受限於當時科技,多半是仿造人類肢體做著重複性的單一工作。在十八世紀歐洲宮廷的「綠女士(Green Lady)」便是藝匠建造來娛樂皇臣,藉著機械精確地控制,綠女士便以幽雅的動作描繪出一幅畫。相傳在中國周朝傳說也有位靈巧的木匠製造了一個能像真人一般跳舞的機器人獻給皇帝。漸漸地,機器人也被賦予了感官知覺,1927年美國技師所製造的機器人“Televox”在聽到電話鈴聲時能拿起聽筒,以兩種語言對答。史丹福大學在1968年所建造的機器人“Shakey”,更懂得簡單的英文指令,並能藉著視力尋找物體。

隨著電腦處理器與各式電子元件的發展,現在的機器人在重複性的單調工作外,也能被賦予簡單的「人工智慧(Artificial Intelligence)」,能夠自動地分析、判斷。早期機器人多半以模仿人體的型態出現,隨著各種不同需要與克服各種不適合人類的工作環境所設計各式機器人,機器人的定義也不再狹隘地侷限於類似人體的構造,如北京航空航天大學機器人研究所便設計出6關節機構所構成的魚,可以作為深海探測的工作,美國太空總署也所開發的蛇型機器人,能深入一般使用車輪探測車所不能探測的崎嶇地區,甚至現在大受歡迎的電子寵物,能夠隨著飼主不同動作而有互動的反應,這些都是非人形機器人與人工智慧結合的例子。

例如圖1是一度很受歡迎的電子寵物狗AIBO,隨著飼主的聲音、撫摸與動作做出互動的反應與叫聲。在圖1AIBO解剖示意圖中,我們可以看到AIBO眼睛是小型CCD攝影機,頭部裝置壓力Sensor感覺飼主的撫摸,耳朵中的聲音感測器可以判別聲音方向,口中的小型麥克風可以發出不同音調的叫聲,AIBO還配置了先進的紅外線感測器測量與物體的距離,還有許多關節與纜線所構成的機構控制AIBO表達出各種動作。各種感測器訊號的判讀再加上人工智慧軟體程式的撰寫,一支活生生的寵物狗AIBO就是如此誕生。

1. AIBO解剖圖

2.     機器人投籃大賽

本學期第三章到第六章的實作計畫,便是要設計製作一部簡單的機器人,進行「機器人投籃大賽」。這裡所謂的“機器人”,並非模仿人體形態的機器,而是一個有移動能力,能聽從命令或藉由本身感測器與控制電路對環境做出判斷,而正確做出特定動作之機器。

本次機器人投籃大賽,統一分配每組一輛玩具車,這部玩具車可自行行走,且碰到障礙物會任意轉向,每組同學藉著第三章到第六章的實作計畫,逐步進行機器人的改裝工作。比賽的目的便是將玩具車改裝成為簡單的“機器人”,能夠閃避障礙物,走到定點投籃得分。

2為機器人投籃大賽場地圖以及投籃籃框配分表,機器人必須載運一乒乓球從場地一邊正中央出發,可自行以感測器偵測周遭環境,或聽從操作者指令做出動作,在規定時間內行進至終點線,並且投射乒乓球得分。除開始將機器人放至定位及啟動機器人之外,比賽過程中操作者和機器人不得有“實體”的接觸,包括不得以線控或無線遙控方式操控機器人,但光控、聲控等方式則可接受。

2. 場地配置圖

如圖3所示,場地左方與後方邊界以高度2.4cm圍牆圍起,場地右方邊界以架空2.4cm2.4cm圍牆圍起,終點為架空4.8cm2.4cm擋板。注意左、右、及終點現圍牆高度均不同,目的在幫助你的機器人作轉向的判斷

3. 場地邊界圍牆與終點線擋板高度

比賽共分二階段進行,第一階段資格賽,機器人必須能夠在一分鐘內行進至終點,並啟動投籃機構投射乒乓球得分,方可進入第二階段比賽。第二階段在場地正中央設置高度2cm障礙物一塊,機器人必須能在三分鐘之內越過障礙物到達終點投籃得分,如機器人翻落場地外或超過三分鐘仍未完成動作便算淘汰。表現優異之機器人並可參加下學期本系「機械英雄會」之最後決賽,場地中障礙物增加為三塊,機器人必須克服種種障礙在三分鐘之內到達定點投籃得分。

比賽全系前三名組別將發給“巨額”獎金鼓勵,如投籃分數相同者以所花費時間較少之組別為優勝。另外亦將選出造型最酷、最有創意的前三名作品,發給“巨額”獎金鼓勵。

第三章實作計畫:機器人傳動與轉向系統改造工程

在這個機器人投籃大賽中的機器人設計,大致可以分為傳動與轉向、乒乓球彈射、以及感測及控制等三個重要子系統。本單元的目的即是在完成機器人傳動與轉向系統之改造。

(1)    觀察你所分配到的玩具車運動、轉向的方式,打開車子的外殼,觀察這台玩具車是如何傳動的,分析其傳動原理(包括傳動方向、減速比等),瞭解傳動元件間的相互關係及功能,以圖形與文字表達你所觀察到的內容。

(2)    在機器人投籃大賽之機器人傳動與轉向系統之設計,最主要要達成的功能,是機器人能夠接受外界訊號(包括操作者的指令或感測器對環境判斷後送達之訊號)而做出正確的轉向動作。你要考慮的問題可能包括傳動和轉向是否要發生在同組車輪?如何達成轉向動作?轉向系統如何接受外界訊號?轉向系統如何自動回正?轉向系統如何和傳動系統互相配合?是否能充分運用玩具車上原有的傳動與轉向系統?對於這些問題(或你們考慮的其他問題)討論你們的想法,並以圖形及文字描述你們最後決定的設計概念。

(3)    實際將轉向與傳動系統製作完成,在課堂上口頭報告時,帶著你改造完成的車子展示左、右轉向動作。轉向訊號輸入屬於第五章實作計畫之內容,因此這裡可製作簡單的“有線遙控器”,使機器人能隨著操縱者的操縱而左、右轉向來表達你們的設計概念。

設計範例

4所示為機械設計助教群所完成的設計範例,拆下原有的一組輪胎固定於轉向馬達上,再加上最基本的按鍵開關便可組合成簡單的線控機械人,設計上保存原有的傳動機構與電源作為機器人向前走的動力來源,以另一組獨立的馬達帶動輪胎,按下遙控器的左、右轉鍵便可利用馬達正反轉而操作機械人轉向。

4. 實際範例

5所示為此設計範例的電路示意圖。線控遙控器上有三個開關,電源開關在切換玩具車內部原有之電源,控制玩具車行走,另外兩個常開型雙切開關,則在控制馬達正反轉以控制左右轉向。

5. 線控遙控器內部電路示意圖

第四章實作計畫:投籃機構設計與製作

本實作計畫的目的是要設計與製作機器人投籃大賽中,投籃動作所需要的機構。

(1)    觀察你週邊事物的機構,有哪些機構的動作方式可以運用於投射乒乓球的動作?這些機構可否以連桿、接點等方式表達?選擇幾個可能的投籃機構設計概念,嘗試以機構的“骨架圖”搭配文字說明表達此機構的原理,並說明這些機構要如何與你的機器人相結合?

(2)    你所設計的機器人投籃機構,必須在觸碰到終點檔板後,傳遞機器人執行投籃動作的訊號,完成投射乒乓球的動作,並儘可能投入高分籃框。在設計你的投籃機構時可能要考慮到的問題包括,機器人要如何判定投球的時機?你要如何確保機器人所投出的乒乓球能投進目標?你是如何決定各連桿的長度尺寸?連桿動作時動力的來源是什麼?考慮這些問題之後,選定一個最終機器人投球機構的設計概念,以文字與圖片詳細描述你的想法。

(3)    將你的機器人投籃機構實際製作出來,並與你的機器人加以整合,在口頭報告當天帶著你改造完成的機器人展示其投籃動作。投籃訊號輸入屬於下一實作計畫(第五章實作計畫)之內容,因此這裡可製作簡單的“有線遙控器”或是任何不以手碰觸的方式,使機器人能隨著操縱者操縱在“定點”完成投出乒乓球動作。

設計範例

6為機械設計助教群所製作最基本的投球機構實體照片,圖7為投球機構示意圖,基本上這是一個曲柄滑塊機構,由控制器控制電池鐵磁力吸附投球連桿,按下紅色按鈕切斷電磁鐵電源,便由彈簧推動滑塊帶動投球連桿投射乒乓球。投球距離的遠近可以調整投球連桿之長度或配重調整之。

6. 投球機構照片

7. 投球機構示意圖

第五章實作計畫:機器人感測與控制電路設計

本次實作計畫的目的是利用第五章電子與感測元件單元中所獲得的知識,設計能夠判斷周遭環境或接受引導而啟動轉向機構改變方向的電路,與第三章實作計畫和第四章實作計畫中所完成的轉向機構與投球機構加以整合,使機器人得以非接觸的方式智慧地判斷或接受導引,進至預定目的地完成投球動作。本實作計畫的重要要求是必須以非接觸方式控制機器人,亦即不得以人體觸碰控制、有線控制、遙控等控制方式控制機器人,可用的方式建議如光控、聲控,或是以邏輯控制方式令機器人自行判斷行進方向等。

實作計畫五的設計需求是設計一非接觸方式控制之機器人,使其能於圖2與圖3所敘述的場地中行進,場地中將另有一方形高2.4cm的障礙物一塊。機器人必須搭載給定的乒乓球由場地起點起始,避開障礙物後抵達終點位置,並於終點位置啟動擊球機構,使乒乓球投入給分籃中。整個行進與擊球過程,除了於起點處自由擺設起始位置外,不得有任何人體碰觸或有線控制。本實作計畫說明如下:

(1)      觀察你身邊常用的設備或物件,是否有哪些設備或物件使用了感測器?其使用了哪種類型的感測器?經由這些感測器的訊號輸入,有哪些機構或事件作動或發生?

(2)      試著以“說故事”的方式敘述你們的機器人判斷或接受引導而前進、轉彎並且投籃的過程,以文字與圖片說明啟動並完成這些指定動作時機器人需要接受哪些外界訊號?機器人感測外界訊號並啟動轉向與投籃機構的電路運用了哪些課程中所學習的電路?你是如何組合出你所需要的功能?以文字與圖片詳細介紹你們所設計完成的智慧電路。

(3)      以你們所選擇的控制方式實際製作你們機器人的控制電路,使其能符合前面所敘述的設計需求。經過電子與感測元件課程中對各式電子與感測元件的介紹,以及電動門電路實作練習中所得到的經驗,同學們可以實際至電子材料行採買所需要規格的各式電子與感測元件,並完成所設計的電路,同學們可以記錄下過程中你們所獲得的經驗與遭遇到的挫折與大家分享。

(4)      機器人最後組裝以及各子系統空間配置屬於第六章實作計畫的內容,同學可以先以麵包板設計並完成電路,並與先前你們所設計的轉向與投籃系統整合,在口頭報告當天帶著你改造完成的機器人,展示其是如何感受環境條件訊號或接受引導而產生前進、轉向與投籃的動作。

設計範例

8為機械設計助教群所製作的光控機器人,操縱者可以光源照射前方三個光敏電阻控制車子左、右轉與直行,越過比賽場地中各種障礙抵達目標,待前方觸碰開關接觸終點處架高4.8cm2.4cm擋板時,便會啟動投籃裝置投射乒乓球得分。

9為其中一組光控裝置內部的電路圖,以光敏電阻控制兩組繼電器所連接的轉向與直行馬達,製作三組相同的光控制器便可同時控制機器人左轉、右轉與直行。

8. 光控機器人實體照片

9. 光控制器電路圖

第六章實作計畫:機器人各功能之整合設計

本次實作計畫的目的是利用第六章細部的設計考量單元中所獲得的知識,整合機器人的各項功能,建立機器人產品架構,並實際完成一機器人。於實作計畫三至實作計畫五中,機器人之轉向機構、投球機構與控制電路等功能已經分別被完成,本實作計畫的要求是整合此三項功能於一機器人上,使機器人得以非接觸的方式智慧地判斷或接受導引,進至預定目的地完成投球動作。整合設計的過程中,必須考慮各實體元件間的交互作用,包含接觸力、實體材料、能量與訊號等,還須注意其空間配置的狀況。本實作計畫的進行步驟說明如下:

(1)      參考第六章“細部設計的考量”單元中,對防護眼鏡設計機台的整體設計概念,試著也以“說故事”的方式敘述你們的機器人的整體設計概念。

(2)      依據你們所敘述的整體設計概念故事,試著建立你們所設計的機器人的產品概要圖(schematic),概要圖中必須標明各實體元件,例如轉向馬達、電源、光感測器等,以及各實體元件之間的交互作用,包含有接觸力、實體材料、能量、資料和訊號。

(3)      將你們的產品概要圖分成群組,詳細說明基於何種考量使產品概要圖分成這些群組,以及各群組之間的界面及交互作用。

(4)      建立機器人的幾何配置,並將其繪成設計佈置圖。設計佈置圖的繪製,建議可以以SolidWork或其他可以建立三維實體模型的CAD軟體繪製,如此將有助於你們了解各元件之間的空間關係。在這樣的空間配置下,有沒有任何不預期的交互作用(incidental interaction)?如果有,你們需要做什麼設計改變?

(5)      依據你們所完成的產品概要圖與設計佈置圖,實際改裝你們的機器人,使轉向機構、投球機構與控制電路等功能被妥善的整合於一機器人上,並可以達到“使機器人得以非接觸的方式智慧地判斷或接受導引,進至預定目的地完成投球動作”的設計需求。依據經驗,電源的分配是一個重點,建議先計算所需的電池數量,再依各功能系統的需要給予,與配置於機器人上,以免機器人改裝完成後,卻無法作動。