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機器人 教具設計
- 2. 大綱 ■機器人設計上經常碰到的問題 ■機器人種類 ○ 單一用途機器人 ○ 易於組裝，多樣變化的機器人 ■個案研討 ○ The Robot Cubes 2
- 3. 機器人來了 在現今科技快速進步的時代裡，機器人已不 再是僅存在幻想世界中的角色。 例如現今家家戶戶常見的掃地機器人，便是 機器人融入我們日常生活環境的例子 3 (Ref : http://www.pinternet.com/3656) (Ref : http://www.iRobot.com/item/65342)
- 4. 教育/娛樂機器人市場分析 4 美國 產業分析公司ABI(Allied Business Intelligence) Inc. 教育娛樂型機器人的銷售將從2015年的 152億美元成長到2020年的388億美元 德國 國際機器人協會(International Federation of Robotics，IFR) 2014年約有560萬台家務機器人及 310萬台的教育 樂休閒機器人售出，到2022年預計將分別達到每年 670萬台與460萬台的銷售需求 日本 機器人協會(Japan Robot JARA) 智慧型機器人市場需求在2015至2020年將由210億 元成長至649億美元 英國 半導體產業研究機構(VLSI 至2018年全球智慧型機器人(包括家用機器人及教育休閒娛 樂機器人等等)市場產值將達593億美元。而智慧型機器人所 需各種零組件相關市場商機也達數十億美元以上 韓國 資訊通信部(Korea Ministry of Information and 2020年全球智慧型機器人市場需求達 3580億美元， 家庭用教育娛樂用途機器人需求約 420億美元 ref :精密機械研發中心，機器人白皮書 (ref http://www.robotworld.org.tw/index.htm?pid=24) 產業分析公司 ABI (ref http://www.abiresearch.com/home.jsp), 國際機器人協會 IFR (ref http://www.ifr.org/service-robots/statistics/), http://www.aibd.org//increase.
- 5. 機器人教育 為了能讓能社會大眾進一步瞭解機器人的構 造和原理、適當的機器人教具十分重要 5 (Ref : http://www.online-education.info/docs/s5093)
- 6. 6 機器人教具設計上常見的問題 線路龐雜龐雜龐雜龐雜 (Ref : https://www.chiefdelphi.com/media/photos/39684) (Ref : http://www.trossenrobotics.com/c/robot-cables-wiring.aspx) (Ref : http://www.sciencebuddies.org/science)
- 7. 機器人教具設計上常見的問題 零件眾多、組裝耗時 7 (Ref : https://arstechnica.com/gadgets/2013) (Ref : http://www.thumb.com.tw/article/4182)
- 8. 機器人教具設計上常見的問題 功能較單一化 8(Ref : http://www.dx.com/p/four-wheel) (Ref : https://www.sainsmart.com/sainsmart) (Ref : https://www.electronickits.com/sound)
- 9. 機器人教具設計上常見的問題 組裝說明繁複 9 (Ref : https://www.pinterest.com/pin/19773685842000837/) (Ref : http://www.thenxtstep.com/2015/11) (Ref : https://www.yumpu.com/en/document/view/29776618)
- 12. 使用者不同的需求 使用者著重方向不同 著重於邏輯控制、程式開發 著重於結構設計與組裝 著重在外觀設計 12 (Ref : http://www.toysrus.com/robotics/wow-wee) (Ref : http://www.dx.com/probot) (Ref : http://www.dx.com/gundam)
- 13. 如果 ■機器人能夠 ○ 無線連結 ■ 不是指 wireless，而是指不要繁雜的連線 ○ 易於組裝 ○ 多功能化 ○ 還有，能不要那麼貴嗎？… 13
- 19. 如何改善/滿足這些需求？ ■ 無複雜線路 ■ 零件數量少、組裝快速 ■ 功能多樣化 ■ 組裝說明容易 ■ 價格便宜 ■ 開源設計、建立社群 ■ 同時滿足不同的對象需求 邏輯控制 程式開發 結構設計與組裝 外觀設計 19 (Ref : http://www.google.com/404)
- 22. 設計理念 ■ 我們的作品參考了可重構模組機器人 (Reconfigurable modular robots)的概念 22 (Ref : M-TRAN III(https://unit.aist.go.jp/is/frrg/dsysd/mtran3/))
- 23. 系統架構 ■ 使用異構模組化機器人(Heterogeneous modular robot)以及集中控制器(Centralized Controller) 23 armCube wheelCube catchCuberotationCube MainCube photoTransistorCube ultrasonicCube Motion Cubes Sensor Cubes
- 24. 系統架構 Cont. 24
- 27. Slave方塊設計 Cont. ArmCube ARS-3216HTG+HV RotationCube ARS-3216HTG+HV
- 30. Slave地址定義 30 方塊類型 I2C ID address SocketCube 接合方塊 10~20 ArmCube 關節方塊 20~29 WheelCube 馬達驅動方塊 30~33 RotationCube 旋轉方塊 34~38 CatchCube 夾爪方塊 39、40 UltrasonicCube 超音波方塊 41~45 ColorCube 辨識方塊 46、47 PhotoTransisterCube 光感方塊 48~50 PhotoCube 視覺方塊 66、67
- 33. 搜索演算法 – 拓樸關係 ■ 每個方塊的各表面與其他方塊的拓樸關係 33
- 35. 設計特色 ■ 將繁複的機器人關鍵功能，包裝成單一方塊 ，解決零件眾多，組裝耗時的問題。 35 Lego EV3 關節. 42個零件. 組裝耗時8分鐘 (Ref : https://Lego.com/ev3)
- 36. 設計特色 Cont. 以自行設計的電環改善線路龐雜問題 36 Robot Cubes 組 裝 完全無外露線材 傳統機器人教具 外露線材較多 (Ref : https://Lego.com/ev3) (Ref : https://hexrobot.com/rh435)
- 37. 設計特色 Cont. 透過不同方塊自由組裝搭配，達到功能多樣 化的目的 37 傳統機器人教具 功能單一 Robot Cubes 可自由組合，並建構嶄新功能 (Ref : https://www.makeblock.cc/mbot/) (Ref : https://robovr.robot.com/robc)
- 38. 設計特色 Cont. ■ 組裝說明容易，短暫練習後即可無須說明書 自由創作 38 傳統機器人教具 組裝繁複 Lego EV3 賽車 共需 452 個步驟 Robot Cubes 組裝簡易 每個作品不超過十步 (Ref : https://Lego.com/ev3)
- 40. 設計特色 Cont. ■ 可滿足重視邏輯控制與程式開發的使用者 Robot Cubes 具有 S4A(Scratch to Arduino)功能 可透過 Scratch 語言直接改寫 robot cubes 韌體程式邏 輯，等於可開發全新功能的機器人。 40 (Ref : https://scratch.mit.edu/) (Ref : https://s4a.cat)
- 41. 設計特色 Cont. ■ 無須另購遙控器，任何行動裝置安裝App後均可操作 ■ 操作邏輯可在App上自行定義，由使用者決定操作的 目的方塊及其行為。 41
- 42. 設計特色 Cont. ■ 單機模式下提供了數種範例模型，當組裝完 機器開機後，主機會自行拓樸搜索是否有相 符模型 ■ 透過簡易的操作介面，可以達到控制輪胎前 進/後退、記憶扭臂彎折等多樣化的功能 ■ 達到無須外部控制，也能享受創造機器人的 樂趣。 42
- 43. 範例展示 : Remote control car 43
- 44. 範例展示 : Ultrasound car 44
- 45. 範例展示 : Racers 45
- 46. 範例展示 : Chasing light car 46
- 47. 範例展示 : Joints type 1 47
- 48. 範例展示 : Joints type 2 48
- 49. 範例展示 : Joints type 3 49
- 50. 設計優勢 ■ 低成本 ■ 高自由度 ■ 組裝快速 ■ 說明簡易 ■ 功能擴充性強 ■ 開源設計 ■ 對應不同的使用者需求 ■ 能改善目前多數機器人教具的問題 50 (Ref : https://123rf.com/302571)
- 51. 與市售智慧機器教具比較表 51 XYZ 火流星 M-BotLEGO EV3 RobotCubes (Ref : https://Lego.com/ev3) (Ref : https://icci.com.tw/816665) (Ref : https://makeblock.cc/mbot/)
- 52. 與市售智慧機器教具比較表 Cont. 52 Lego EV3 樂高 EV3 XYZ 火流星 多軸機器人 M-Bot Robot Cubes 機器魔方 線路複雜度 複雜 極複雜 中等 完全無外露線路 組裝耗用時間 較長(1hr) 極長(5 hrs) 中等 極快(< 1 min) 說明書複雜度 極複雜 極複雜 中等 簡易 功能擴充性 高 低 中等 高 互動方式 APP、 P-brick(PC) 遙控器 遙控器、 Mblock(PC) App遙控 、S4A韌 體改寫，手控彎折 記憶功能 購置成本 極高(20K) 極高(30K) 中等(6K) 低(2.5K) 兼顧不同需求的使 用者 是 僅高階使用者 中階使用者 兼顧三種不同使用 者的需求 多用途 是 單一用途 (機器人) 單一用途 (自走車) 是 是否開源 部分開源 無 部分開源 完整軟硬體開源， 可供同好自行開發
- 53. 台灣教育機器人市場分析 ■ 2005 ~ 2015 年間，台灣益智/教育機器人產值已提升四倍 (5%~20%)，市場約 500億，是深具展望的新藍海市場 ■ 相較於傳統機器人教具，Robot Cubes機器魔方挾以上各方面優 勢，進入市場潛力可期。 53 (Ref: 蕭佳明, 黃瑛綺, 樂高機器人應用於科學與創意教育市場創業之研究, 遠東學報第二十九卷第三期,2012/09)
- 54. 未來展望 ■ Open Source！ 將核心方塊程式邏輯、硬體設計、轉接介面等資 訊均開源，讓更多對機器人教具有興趣的伙伴能 輕鬆投入。 ■ 繼續為機器人教育投注心力，開發多種功能 方塊，使Robot Cubes做到機器人能做到的更 多功能。 54