製作機器人的步驟

製作機器人

今天我們來聊聊怎麼製作屬於自己機器人。這一次主要針對的對象,是希望能親手製作出一隻機器人的朋友。

建立基本概念

在開始著手設計及製作機器人之前,首先要建立三個基本觀念:

一、強大的內在動機

如同許多成功學大師告訴我們的:「強大的內在動機,是驅使我們去克服萬難達成目標的關鍵。」為什麼呢?我們常說能夠從機器人學習到太多的知識,換個角度來看,其實這也是告訴我們,機器人涵蓋了眾多知識領域。完成一個機器人,至少需具備下列幾項知識和技能:機械、電子、電機、資訊工程、仿生學等等。

更進一步,甚至連工業設計、動物行為學和人類心理學都需要涉略。也就是因為包含了這麼多的技術及知識領域,在製作機器人的過程中,欠缺任何一項技能,都可能造成過程的瓶頸,而無法完成機器人的製作,甚至終結了對機器人的興趣。所以唯有強大熱愛機器人的內在動機,才可能持續維持這項興趣,並有恆心毅力來不斷學習,以便克服一切障礙。

二、簡單明確的設計

正如同許多玩家前輩所建議的,另一個重要的心法就是遵循KISS法則(Keep It Simple and Stupid): 保持簡單明確!無論在任何階段,這都是非常睿智的建議。

三、把錢準備好

老實說,玩機器人可以是很花錢的興趣,無論玩的是機器人套件,還是DIY自行製作機器人。對剛投入這個領域的玩家來說尤其如此。因為投入這個領域的初期,首先還沒有足夠的經驗去挑選零件,很可能會投資一些冤枉錢在不需要或錯誤的零件上;同時,手邊也還沒有累積足夠的零件和工具來使用;另外就是因為經驗不足,在組裝測試過程中也常有機會搞壞部分零件或工具,而必須重新購買。因此在全心投入機器人組裝之前,需要先做些功課,並規劃好預算。

要確定自己做出來的東西可以稱為機器人,首先我們再回顧一下機器人的定義:「人類製造的機械裝置,能對周邊環境做出適當的回應、自主判斷並達成特定任務。」也就是說,機器人必須具備感知環境、做出判斷,並產生行動的能力。以機器人踢球為例,首先它要看得到球(感知環境),接著需判斷要將球踢到哪裡去(做出判斷),最後產生踢球的動作,將球踢出去(產生行動)。這一系列的過程,跟人類足球員踢球的過程是很類似的。

機器人行動流程圖

開始製作機器人

有了基本觀念後,接下來讓我們開始製作機器人。一共包含了四個步驟:機器人概念設計、零件選用、機器人組裝、和程式控制。

一、機器人概念設計

製作機器人的第一步,並不是直接拿起木板到鋸床上切割。而是拿出白紙,先將想做的機器人雛型規劃出來。這階段,主要需定義機器人的功能、決定機器人的載具和移動方式,以及確認預定採用的機器人的控制方式。

蜘蛛機器人設計圖

1.定義機器人的功能:

第一隻機器人的功能建議不要太過困難或複雜,最好以進行簡單的任務為目標(記得KISS法則嗎?)。在這個階段,我們希望可透過設計和組裝的過程,來學習和機器人相關的知識和技能,並藉此慢慢累積成就感和經驗。所以讓我們暫時將製作出鋼鐵人飛行裝的偉大計畫,推遲到之後幾個專案再來執行。

2.決定機器人的載具和移動方式:

機器人的載具可能是機械手臂、八腳蜘蛛、或是輪車等等。同時也須思考機器人該要如何移動,用雙腳、四肢、八爪或是用輪子。(關於機器人可選擇的移動方式可參考:機器人的移動方式有哪些?

3.確認機器人的控制方式:

要使用有線控制 (電線、網路線)?無線控制(紅外線、藍芽、WIFI、GPRS、無線射頻)? 還是自主控制?

二、零件選用

在完成初步的概念設計以後,接下來就進入挑選所需裝置與零件的階段。需要選用的零件包含:驅動器、動力源、控制板、馬達控制器和感知器等等。我們建議剛入門的的玩家,從驅動器開始挑選。例如直流馬達、伺服機等。接下來,再選擇可以和驅動器搭配的控制板及驅動器控制板,最後是感知器,像是攝影機、超聲波測距儀等等裝置。

※零件選用小提示:

1. 在選擇驅動器時,要先確認機器人所需要的規格。像是力量輸出、製動方式等。這類訊息可以由網路搜尋,以及從驅動器的規格書上找到。

2. 選用市面上普及的零件。由於在機器人製作的過程中,很常會遇到問題,而普及常用的的零件因為使用者多,較容易由網站、社群、坊間書籍或玩家團體中獲得支援。

3. 在動力來源部分,建議使用高電容量、並能維持輸出1安培電流的充電電池。

三、機器人組裝

在湊齊了所有需要的零件和裝置之後,接下來我們將要把機器人製作出來。這個階段主要著重在兩個部分:機器人的骨架結構設計與製作,以及將所有零件和裝置裝配起來。

assemble robot body with screw on white isolated

骨架結構的設計與製作看似直覺,卻經常是製作機器人過程中最耗時費工的階段。坊間有各式各樣的材料可以選用,一如前文所提的KISS法則,儘量選擇易獲得、好加工又具有一定剛性的材料來製作結構體,像是瓦楞紙、木材、金屬薄板或是3D列印等。如果可以,好好地應用3D繪圖軟體來協助設計,它可以幫助我們更直覺的看到最終成品的外觀,也同時能夠省下許多嘗試錯誤的時間。

由於是入門機器人製作,這裡暫時先不把工業產品設計的程序考慮進來,也就是「將腦中的雛型概念視覺化、製圖、製作樣品,直到最終完成成品」這樣的一個流程。同時,機器人的外觀,在現階段也先不用太過在意。

四、程式控制機器人

最後一個步驟,也是為機器人開光點眼、注入靈魂的關鍵步驟,就是將程式燒入機器人的晶片中。在完成這個步驟之前的機器人,我們只可以將它視為一台昂貴的玩具。要能完成這個步驟,有需要具備另一大塊的技術能力——對機器人控制的知識,還有電腦程式編寫的技能。這部分的知識可以從網站、社群和書籍中獲得;市售的控制板一般也會提供人機軟體介面,供開發者使用。

結語 — 千里之行,始於足下

上述的機器人製作步驟,是我們依據過去開發機器人的經驗,並彙整其他玩家前輩心得所做出來的建議。相信您在成功完成了幾次機器人的製作後,也會琢磨出一套最適合自己的機器人設計及製作流程。

然而,這些步驟流程無論看起來多麼的言之有物,目的都是希望能協助我們更加順利、更有效率的完成機器人的製作。所以最後、最終極,也是重要的步驟,就是馬上拿出白紙,開始著手規畫你的機器人!

作者:阿里哥/責任編輯:賴芳如

(本文同步發表於MakerPro

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