I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/1263

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(1)使用樂高 NXT 套件設計競賽機器人之研究 A Study of Robot Competition Using Lego NXT Robot Kit.. 研究生：李晟智指導教授：陳志良博士. 義守大學電子工程學系碩士班碩士論文. A Thesis Submitted to Department of Electronic Engineering I-Shou University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master Degree with a Major in Electronic Engineering June ,2009 Kaohsiung, Taiwan Republic of China. 中華民國九十八年六月.

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(3) 使用樂高 NXT 套件設計競賽機器人之研究. 研究生：李晟智. 指導教授：陳志良副教授. 義守大學電子工程研究所. 摘要本論文為探討自主型機器人精確移位及定位問題。因為影響機器人定位精確度的因素很多，例如馬達的轉速穩定度，各式感測器的精確度，或是場地所給予的資訊充分度等。研究的動機，在於參加 2009 年屏東科技大學舉辦工業機器人競賽。次競賽是以小型機器人來模擬機器人的人工智慧動作。本論文透過此競賽的任務與挑戰，依任務和場地之需要，利用樂高 LEGO 模組元件並搭配人機互動介面軟體之撰寫完成 1. 工業型搬運機器人 2.自走機器人 3.自動化倉儲機器人，為本研究之目的。本研究利用樂高公司所出的 NXT Mindstorm 作為研究的工具，利用其感知元件實際產生之不可預測結果，並透過程式的過濾及修正而達其穩定及精確的感知判斷，來提升機器人相關穩定精確的感知數據，進而完成規劃中的搬運作業。一如預期，我們團隊包辦前四名，獲得不錯的成果來印證研究之方法，但尚未將整個搬運作業完成，故於規定時間內規劃完成整個作業，是為未來更進一步之研究方向。. - iii -.

(4) A Study of Robot Competition Using Lego NXT Robot Kit.. Student:Sheng Chih Lee Advisor: Associate Prof. Chin-Liang Chen. Department of Electronic Engineering I-Shou University ABSTRACT This paper to explore the precise independent robot precise shifting and localization question. Because the influence robot localization precision's factor are many,for example motor's rotational speed stability, various types sensory element precision or venue information given by a sufficient degree, etc. Study of motivation is to participate in 2009 National Pingtung University of Science and Technology to conduct the industry robot competition. The competition is a AI simulation movement by the small robot. This paper, through this event's tasks and challenges of this competition, to use LEGO module component with human-computer interaction interface software writing complete 1. Industry transporting robot 2. Self-propelled robot 3. Automation Warehousing Robot for the purpose of this study. This study, by Lego company NXT Mindstorm as a research tool to use its perceived component actually may have unpredictable results, and filtering through the program and the amendments and reached its stable and accurate perception judgement to upgrade robot-related data for accurate perception of stability , then completes in the plan the transporting work. As expected, our team for offering top four get good results demonstrated research methods, but not yet completed the entire transporting jobs, thus the planning complete within the allotted time, the whole job is to further study of the future direction.. - iv -.

(5) 謝誌. 四年的碩士生涯，除了學分修習，最多佔據整個學習生涯的事件就是研究、創作、比賽，特別感謝陳志良老師的指導，在這一段學習的過程讓我們不止在理論上的研究，更帶著我們南征北討的參加機器人相關的競賽，從第十屆 TDK 機器人競賽到各校舉辦之全國性賽事，都一一進行探討，並於有限的競賽經費中選擇參賽，但賽事之多已飽和了整個學習的生涯，更在其中學習從理論研究進而實作執行，並和全國各校優秀團隊競賽切磋學習，所幸每場賽事都有亮眼之成績，小以回饋陳志良老師指導的辛勞，但大以增進我們於研究上探究其應用的可行度，陳志良老師亦師亦友的指導，在吾心中實是推崇至極的良師益友。承蒙指導教授陳志良博士這些日子以來孜孜不倦的教導，不厭其煩的與我討論我觀念上的盲點，從基礎理論到複雜的邏輯推斷，無一不是由淺入深的帶領著我們進入，更是一次又一次細心校正我於研究上的疏忽怠怯，其最大包容及耐心，指導我在此研究領域上一步一步的奠定良好之實力。論文的完成，並非是我對此研究領域的段落或終點，對我而言它只是我研究過程的一段紀錄，此段紀錄的完成，只能成為我在此領域研究的起點，機器人領域之研究發展也日益為全球所關注並飛速發展，並期許本文能提供此領域上一點點的貢獻。李晟智謹誌於義守大學電子工程學系中華民國九十七年六月. -v-.

(6) 目錄中文摘要………………………………………………………………………………iii 英文摘要……………………………………………………………………………………iv 誌謝………………………………………………………………………………………v 目錄………………………………………………………………………………………vi 圖目錄………………………………………………………………………………………viii 表目錄……………………………………………………………………………………x. 第 1 章緒論 ............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 .................................................................................................................... 1 1.1.1 智能化機器人 ................................................................................................. 1 1.1.2 智慧型機器人未來相關產值 ......................................................................... 5 1.1.3 台灣智慧型機器人產業計畫 ......................................................................... 8 1.1.4 現階段技術開發成果及產業應用概況 ....................................................... 13 1.2 研究動機 .................................................................................................................. 15 1.2.1 任務與挑戰 ................................................................................................... 16 1.2.2 評分標準 ....................................................................................................... 23 1.3 研究目的 .................................................................................................................. 25 第 2 章文獻探討 ................................................................................................................... 26 2.1 機器人的定義 ........................................................................................................... 26 2.2 機器人分類 .............................................................................................................. 27 2.2.1. A類機器人 .................................................................................................. 27 . 2.2.2. B類機器人 .................................................................................................. 28 . 2.3 學習機器人科學 ...................................................................................................... 30 2.3.1 LEGO® Mindstorms™ .................................................................................. 30 2.3.2 程式 ............................................................................................................... 33 2.3.3 程式語言 ....................................................................................................... 34 第 3 章研究方法 ................................................................................................................... 35 3.1 樂高LEGO模組元件和圖形介面開發軟體 ............................................................ 35 3.2 樂高LEGO模組 ....................................................................................................... 35 3.2.1 RCX控制器................................................................................................. 35 - vi -.

(7) 3.2.2 NXT控制器................................................................................................. 36 3.3. 程式開發軟體 ........................................................................................................ 43 3.3.1 ROBOLAB ..................................................................................................... 43 3.3.2 Lego MindStorms Nxt Software .................................................................... 45 3.3.3 ROBOT C....................................................................................................... 45 . 3.4 策略與方法 .............................................................................................................. 51 3.4.1 策略 ............................................................................................................... 52 3.4.2 方法 ............................................................................................................... 53 3.5 定位問題解決使用超音波感測器 .......................................................................... 59 3.6 精確轉向、精確走曲線 .......................................................................................... 66 第 4 章研究結果探討 ........................................................................................................... 72 第 5 章結論與未來研究方向 ............................................................................................... 74 參考文獻 ................................................................................................................................. 75 . - vii -.

(8) 圖目錄圖 1-1 競賽場地 .................................................................................................... 20 圖 1-2 無人搬運車 ................................................................................................ 20 圖 1-3 貨物與棧板(一體成型)說明 ...................................................................... 22 圖 1-4 貨物與棧板擺放位置 ................................................................................ 22 圖 1-5 競賽台實物 ................................................................................................ 23 圖 1-6 成績計算方式 ............................................................................................ 24 圖 2-1 Mindstorms NXT 9797 零件 ....................................................................... 32 圖 2-2 8527 獨有零件 ............................................................................................ 32 圖 2-3 車輛(Tribot)、機器手臂(T56)、蠍子(Spike)、及兩足機器人(Alpha Rex) ......................................................................................................................... 32 圖 2-4 輸入感測器、輸出馬達、及NXT控制器 ................................................ 33 圖 2-5 ROBOLAB圖示模式程式 .......................................................................... 34 圖 3-1 RCX控制器................................................................................................ 36 圖 3-2 LEGO MindstormsNXT 基本組成結構................................................... 37 圖 3-3 LEGO TECHNIC系列積木零件 ............................................................... 39 圖 3-4 LEGO TECHNIC系列積木零件 ............................................................... 40 圖 3-5 利用LEGO MINDSTORMS NXT 組合的機器人Alpha Rex ............... 41 圖 3-6 ROBOLAB圖示模式程式 .......................................................................... 43 圖 3-7 自走車 ........................................................................................................ 44 圖 3-8 ROBOLAB操縱方法之 1 ........................................................................... 44 圖 3-9 ROBOLAB操縱方法之 2 ........................................................................... 45 圖 3-10 ROBOLAB操縱方法之 3 ......................................................................... 45 3-11 ROBOT C 安裝畫面一................................................................................ 47 3-12 ROBOT C 安裝畫面二................................................................................ 47 3-13 ROBOT C 安裝畫面三................................................................................ 48 3-14 ROBOT C 安裝畫面四................................................................................ 48 3-15 ROBOT C 執行畫面一................................................................................ 49 3-16 ROBOT C 執行畫面二................................................................................ 50 3-17 ROBOT C 執行畫面三................................................................................ 50 3-18 ROBOT C 執行畫面四................................................................................ 51 - viii -.

(9) 圖 3-19 任務場地 .................................................................................................. 52 圖 3-20 感測器的測試機型 .................................................................................. 53 圖 3-21 堆高機寬度的測試機構 .......................................................................... 54 圖 3-22 輪子選擇的測試機型 .............................................................................. 55 圖 3-23 鏟子的雛形 .............................................................................................. 56 圖 3-24 馬達帶動齒輪舉起鏟子一 ...................................................................... 56 圖 3-25 馬達帶動齒輪舉起鏟子二 ...................................................................... 57 圖 3-26 重心位置調整測試機種 .......................................................................... 58 圖 3-27 參賽機型完成圖一 .................................................................................. 58 圖 3-28 參賽機型完成圖二 .................................................................................. 59 圖 3-29 試驗台：木刻，皮尺，量角器，超音波， NXT（從左至右） ........... 60 圖 3-30 感知距離的函數的實際距離。 .............................................................. 61 圖 3-31 單顆超音波測距流程 .............................................................................. 63 圖 3-32 前後超音波測距離流程 .......................................................................... 63 圖 4-1 2009 工業機器人競賽場地 ........................................................................ 73 圖 4-2 堆高機機器人及獎杯獎牌 ........................................................................ 73 . - ix -.

(10) 表目錄表 1-1 機器人年代重大發展表[1] ........................................................................... 2 表 1-2 各國對於智能化機器人市場規模預測表[2] .............................................. 6 表 1-3 我國智能化機器人產業之技術來源[3] ...................................................... 8 表 1-4 我國與先進國家智能化機器人產業技術水準比較[4] .............................. 8 表 1-5 產業發展目標規劃[5] ................................................................................ 12 表 1-6 智能化機器人技術項目[6] ...................................................................... 14 表 3-1 NXT各式感應器和伺服馬達機構之說明 ................................................ 37 表 3-2 為LEGO 的RCX 與NXT 的硬體規格比較。 ....................................... 42 . -x-.

(11) 第1章緒論 1.1 研究背景智慧型機器人是一種多功能的半自動或多軸全自動機械裝置，可透過程式化動作執行各項生產活動，或結合人工智慧(AI)與感測技術的應用，提供人類生活、健康、安全、娛樂等方面的服務，是目前高科技產業最熱門的行業。智慧型機器人產業是結合機械、自動化、電機、光學、電子、資訊軟體、通訊、安全系統、創意內容等相關技術，為一個高度技術整合、高關聯性且具有高附加價值的明星產業，未來運用之範圍非常廣泛，應用層面除了產業用機器人外，更可擴展到服務性機器人和軍事用機器人，因此不論國內外產學業界均努力的在這一塊領域上尋求更多發揮空間，機器人也正不斷的在我們的生活周遭引起新的話題，如機器人踢足球、當服務生、機器狗寵物及各式各樣的機器人比賽…等。除了各家廠商想要爭食這塊大餅外，學術界更積極的培養各樣所需的人才，如國立科學教育館訂出機器人教育為主要發展目標、各大專院校成立專屬的機器人科系、機器人博物館…等。都可以看出這波潮流的趨勢。. 1.1.1 智能化機器人從歷史來看，「Robot」一字，起源於 1920 年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據 Robota(捷克文，原意為「勞役、苦工」)和 Robotnik(波蘭文，原意為「工人」)，創造出「機器人」這個詞。從此在學術和業界開始投入大量資源從事機器人的研發。其發展的重大年代事件如表一所記錄。目前智慧型機械人製造業都遵循著，美國科幻巨匠阿西莫夫提出「機器人三定律」。 1、機器人不可以傷害人類，人類受傷時，不可以不拯救。 2、機器人應遵守人類的命令，除非違反第一定律。 3、機器人應能保護自己的生存，與第一、第二定律相抵觸者除外。發展出許多各式功能的智能化機器人，其主要功能分為可分類成工業型、服務型等二種型態。日本、美國、與歐洲等國因為汽車工業需求帶動工業機器人蓬勃發展，目前全世界約有 100 萬個這類型的機器人投注於所謂的「自動化生產」的行列，其中亞洲約占半數，1/3 在歐洲，北美約 16%，澳洲及非洲各僅 1%。可以預見的，未來工業機器人的人口數只會增加不會減少。服務型機器人至目前先進各國都列為發展的重點項目之一，. -1-.

(12) 服務型機器人未來將用在居家看護、保全、環境清潔、互動學習、醫療服務、大樓火災救助與防治、製造業搬運、警用或軍事偵查與農業等用途。近年內，有關智能化機器人的理論、技術與應用已日趨熱絡。基本上，服務型智能化機器人目前的用途大概分兩種情況：其一為取代骯亂、危險環境或重複無趣的人力勞務，如製造、檢測、火災滅火、救難、警用偵查、危險爆裂物拆除、軍事防衛、建築結構物 (地下水道…等)檢查、環境清潔維護、公共場所的廣告、辦公室及醫院的文件與物品傳遞、重複無趣的清掃整潔等應用。其二是執行、幫助與輔助人類行為以減低因功能喪失所導致的行為不便性，增加生活環境舒適，如傷病患者看護、導盲、玩具、輪椅、餐飲服務、老年與殘障協助等。智能化機器人的技研發項目涵蓋機械驅動技術、環境感知技術、智能化控制軟體與嵌入式系統等關鍵性技術項目等單項關鍵性技術。. 表1-1機器人年代重大發展表[1] 年代. 重要事件捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器. 1920 年. 人萬能公司》中，根據 Robota(捷克文，原意為「勞役、苦工」) 和 Robotnik(波蘭文，原意為「工人」)，創造出「機器人」這個詞。美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司製造的家用機器人. 1939 年. Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說 77 個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。美國科幻巨匠阿西莫夫提出「機器人三定律」。 1、機器人不可以傷害人類，人類受傷時，不可以不拯救。. 1942 年. 2、機器人應遵守人類的命令，除非違反第一定律。 3、機器人應能保護自己的生存，與第一、第二定律相抵觸者除外。雖然這只是科幻小說裡的創造，但後來成為學術界默認的研發原則。. 1948 年. 諾伯特維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與. -2-.

(13) 人的神經、感覺機能的共同規律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。美國人喬治德沃爾製造出世界上第一台可編程的機器人，並註冊 1954 年. 了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。在達特茅斯會議上，馬文明斯基提出了他對智能機器的看法：智. 1956 年. 能機器「能夠創建周圍環境的抽像模型，如果遇到問題，能夠從抽像模型中尋找解決方法」。這個定義影響到以後 30 年智能機器人的研究方向。. 年代. 重要事件. 1959 年. 德沃爾與美國發明家約瑟夫英格伯格聯手製造出第一台工業機器人。隨後，成立了世界上第一家機器人製造工廠——Unimation 公司。由於英格伯格對工業機器人的研發和宣傳，他也被稱為「工業機器人之父」。. 1962 年. 美國 AMF 公司生產出「VERSTRAN」(意思是萬能搬運),與 Unimation 公司生產的 Unimate 一樣成為真正商業化的工業機器人，並出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。. 1962 年. 傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安. -1964 年. 裝各種各樣的傳感器，包括 1961 年恩斯特採用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼 1962 年在世界上最早的「靈巧手」上用到了壓力傳感器，而麥卡錫 1963 年則開始在機器人中加入視覺傳感系統，並在 1965 年，幫助 MIT 推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別並定位積木的機器人系統。. 1965 年. 約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研製出 Beast 機器人。Beast 已經能通過聲納系統、光電管等裝置，根據環境校正自己的位置。20 世紀 60 年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、「有感覺」的機器人，並向人工智能進發。. 1968 年. 美國斯坦福研究所公佈他們研發成功的機器人 Shakey。它帶有視. -3-.

(14) 覺傳感器，能根據人的指令發現並抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那麼大。Shakey 可以算是世界第一台智能機器人，拉開了第三代機器人研發的序幕。 1969 年. 美國通用汽車公司用 21 台工業機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。. 1969 年. 日本早稻田大學加籐一郎實驗室研發出第一台以雙腳走路的機器人。加籐一郎長期致力於研究仿人機器人，被譽為「仿人機器人之父」。日本專家一向以研發仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，後來更進一步，催生出本田公司的 ASIMO 和索尼公司的 QRIO。. 1973 年. 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國 Cincinnati Milacron 公司的機器人 T3。. 1978 年. 美國 Unimation 公司推出通用工業機器人 PUMA，這標誌著工業機器人技術已經完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。. 1984 年. 英格伯格再推機器人 Helpmate，這種機器人能在醫院裡為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：「我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全」。. 1998 年. 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人製造變得跟堆積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。. 1999 年. 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。. 2002 年. 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機器人 Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業化的家用機器人。. 2006 年. 微軟公司推出 Microsoft Robotics Studio，機器人模組化、平台統一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茲預言，家用機器人將很快席捲全球。. -4-.

(15) 1.1.2 智慧型機器人未來相關產值目前世界各先進國家已經著手開發智慧型機器人相關的科技產業，各國預測智慧型機器人往後的產值如(表 2)，根據韓國資訊通信部（Korea Ministry of Information and Communication）調查研究報告顯示，2012 年全球智慧型機器人市場產值將高達 2500 億美元。依據國際機器人協會（IFR）與聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）所作預測，在智慧型服務用機器人項目於 2003 至 2006 年累計將達到 220 萬台，4 年之間將增加 2.5 倍，且將會有超過 30000 種的服務用機器人應用產品出現，遠遠超過產業用機器人的總數 87 萬 5 千台。而依據日本機器人協會（JARA）的機器人需求統計，日本國內智慧型機器人市場需求預計將由 2005 年 110 億美元成長至 2010 年 249 億美元。據英國半導體行業研究機構（VLSI Research）調查預估，至 2010 年全球智慧型機器人（包括家用機器人及休閒娛樂機器人等等）市場將達 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 10 億美元以上。依據格瑞特市場研究及分析機構（Researcher Gartner Inc.）預測，智慧型機器人的機光電控制整合軟體市場將會以年平均 9.25%成長率遞增，2007 年將達到 1,384 億美元。目前智慧型機器人產值全球約 50 億美元，其中以產業型機器人占大多數。未來世界各國瞄準的不再是產業型機器人的未來，而是服務及娛樂型機器人的前景。在先進國家人口老化過程所引發的社會福利、醫療照護及各種公共服務需求已經漸漸浮現，從科技面來看，透過智慧型機器人的輔助，使高齡化人士能健康、舒適及安全地生活，是各國重視的課題。而美國政府在智慧型機器人大學研究投資也從 2000 至 2003 年上升 48%；2003 年的大學研究投資高達 2,480 萬美元。另外，韓國政府於 2003 年至 2012 年投資在智慧型機器人，合計也將超過 4 億美元；在二十一世紀，智慧型機器人產業也將是世界各國列為前瞻優先發展的新科技產業。未來的社會將漸漸接受智慧型機器人產品所提供的服務，我國發展智慧型機器人產業，將符合未來高科技產業的發展趨勢與達到另一波的高度經濟成長目標。從美國投入智慧型機器人產業方面來看，自 1980 年起陸續鼓勵工業界發展和應用機器人，並增加機器人領域的研究經費，把機器人看成美國再次工業化的特徵。另外，也宣佈一項運用機器人探索太空開拓太陽系計畫，預計在 2010 年完成可在太空作戰的機器人，協助人類太空人各項太空中任務，並在 2020 年前完成機器人登陸月球行動，作為飛向火星和其他星球的跳板。目前美國在這個技術領域上處於領先地位，主要產品 -5-.

(16) 有太空探測用途機器人、國防用途機器人、教育用途機器人、醫療用途機器人、人工智慧軟體系統、遠距遙控機器人等。日本將智慧型機器人涵蓋在其新產業創造戰略七大領域中，根據日本機器人協會（JARA）調查，日本國內智慧型機器人需求統計，預計將由 2005 年 110 億美元成長至 2010 年 249 億美元，日本政府於 2001 年正式宣布執行「Robot Challenge 計畫」，計畫中包括要修改法律，允許機器人合法地在醫院等地工作，主要產品包含產業用途機器人、家庭用途機器人、休閒娛樂用途機器人、人型機器人、特殊用途機器人等。韓國政府緊跟在後，在 2003 年也將智慧型機器人產業列為十大新世代成長動力產業，預計 2012 年前其智慧型機器人產業佔全球市場之佔有率要達 10%，成為世界第三大智慧型機器人製造國，創造國內 2 萬個新的就業機會，整個出口值達 100 億美元，主要產品為家庭用途機器人、休閒娛樂用途機器人、產業用途機器人及教育用途機器人等。. 表1-2 各國對於智能化機器人市場規模預測表[2] 各國對於智能化機器人市場規模預測表韓國資訊通信部(Korea Ministry of. 2012 年全球智能化機器人市場需求達. Information and Communication). 2,500 億美元。. 國際機器人協會(International Federation of Robotics，IFR)與聯合國歐洲經濟委員會(United Nations Economic Commission for Europe，. 智能化服務用機器人項目的產量於 2003 至 2006 年將達到 220 萬台，遠遠超過 2006 年產業用機器人的總數 87 萬 5 千台。. UNECE) 日本機器人協會(Japan Robot. 智能化機器人市場需求在 2005 至 2010. Association, JARA). 年將由 110 億美元成長至 249 億美元。至 2010 年全球智能化機器人(包括家. 英國半導體產業研究機構(VLSI Research). 用機器人及休閒娛樂機器人等等)市場產值將達 593 億美元。而智能化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。. 格瑞特市場研究及分析機構 (Researcher Gartner Inc.). 智能化機器人的機光電控制整合軟體市場產值將會以年平均 9.25%的速率遞增，到 2007 年將達到 1,384 億美元。. -6-.

(17) 民國 70 年代，在政府竭力倡導工業自動化政策下，發展的自動化相關研發成果中，產業用機器人即為其中一項，是國內邁入自製產業機器人能力的里程碑。如表 3 所示為我國智能化機器人產業的之技術來源。民國 80 至 90 年代，資訊電子、半導體及其他製造業發達，產業用機器人漸漸成為重要生產工具，而其應用則僅侷限於工廠的環境，近年因精密機械、資訊電子、人工智慧軟體、機電控制整合及網際網路等等的快速發達，讓國內大多數的大專院校均能投入智慧型機器人整合相關研發計畫。目前國內廠家發展智慧型機器人相關設備，包含產業用機械手臂、機械取放裝置、無人搬運裝置、自動倉儲與其他相關設備等等，機器人相關設備 2005 年產值規模估計約新台幣 140 億元，現在讓機器人從事與人更相關的工作逐漸受到重視，其中以智慧型家庭清潔、休閒娛樂、商業用、醫療照護等機器人最具市場潛力與重視。. -7-.

(18) 表1-3 我國智能化機器人產業之技術來源[3] 技術項目機械驅動技術. 環境感知技術. 技術來源小型高出力致動器. 自行研發、技術引進. 移動式機構驅動控制. 自行研發、技術引進. 機械手臂驅動控制. 自行研發、技術引進. 輕量化結構. 自行研發. 影像辨識. 自行研發. 環境模型. 自行研發、技術引進. 語音命令辨識. 自行研發. 自我姿態感知. 自行研發、技術引進. 多重感測器融合. 自行研發、技術引進. 智慧化控制軟體多軸同步運動控制. 嵌入式系統. 自行研發、技術引進. 精密運動控制. 自行研發、技術引進. 智慧型決策. 自行研發、技術引進. 人機互動介面. 自行研發. 運動規劃. 自行研發. 即時多工作業系統. 自行研發. 資料來源：精密機械研發中心， 2005 年 5 月。. 1.1.3 台灣智慧型機器人產業計畫目前台灣的智慧型機器人產業正處於萌芽階段，與世界各先進國家的技術水準有一些差距，如表 4 為我國與先進國家智能化機器人產業各技術項目水準之比較，因此行政院產業科技策略會議，規劃產業發展目標擬分為三個階段，其分別敘述如表 5 所敘；第一階段發展之產品領域以導覽服務、休閒娛樂、家庭服務、生產製造為重點，第二階段發展之產品領域以公共服務及照護服務為重點，第三階段發展之產品領域以特殊用途服務及醫療輔具為重點。. 表1-4 我國與先進國家智能化機器人產業技術水準比較[4]. -8-.

(19) 技術項目我國學界機械驅動馬達用小型齒輪箱技術. 技術領先國. 差距. 業界. （美、日）. （年）. 交流馬達驅動變頻. 壓電致動器開發與. 2. 設計及製造，減速比器功率範圍從 25 瓦製造。 5~200 ，最大容許轉到 110 千瓦，，無矩 2 00kgcm 。. 感測器向量控制技. 旋轉編碼器，. 術，可輕易達到高啟. 2000PPR 響應頻率. 動轉矩及運轉平順. 200kHz 。. 之要求。. 真空機械手臂開發. 關節型機械手臂與. 技術，運動範圍 R 軸. 手指開發。. 930mm 、 θ 軸 355 度、 Z 軸 30mm 。智慧型結構研製技. 輕慣量旋轉編碼器，. 術，載具重量減輕. 5000ppr ，響應頻寬. 10~20% ，減震效果. 500kH z. 10~20%。鎂合金中大型壓鑄. 蛇型、人型、多足型. 件開發技術，鎂合金. 等運動機構開發。. 壓鑄重量 3 公斤以上，鎂合金壓鑄機 1,000 噸級以上。振動角速度感測器，已完成定型設計製作，精度 ~7 度 / 分。外界環境即時性人臉辨識，可中文語音辨識技. 即時性人臉辨識與. 感知系統動態偵測追蹤臉. 物體辨識，可與人互. 術，已可以提供 85%. 部，於在不同光照環以上的辨識率，並進動下執行工作例. -9-. 1~2.

(20) 境下 200 人辨識率. 行語音命令、語音導如：互動踢球。. 97.6%。. 航等，同時由 PC 平. 語音辨識強健性技. 台移轉 PDA 上。. 術。語音辨識引擎，語音. 可利用影像辨識場. 辨識核心技術能利. 景並建立 3D 模型以. 用關鍵詞辨認與驗. 提供場景建立，可於. 證技術來產生候選. 戶外. 的格狀詞組。影像辨識及定位技. 指紋、人臉、或瞳孔. 術。. 來進行生物辨識系. 動態臉部辨識及語. 統。. 者辨認之生物識別. 開發語音辨識晶片並已產品化。. 門禁系統，相同錯誤接受率與錯誤拒絕率（EER）最小達 0.5%。智慧化控六軸同動軌跡規畫。車床控制器與銑床制決策軟光電產業精密高速體. 開發智慧化軟體決. 控制器，擁有高性能策執行障礙物與目. 同步定位控制，控制的運動控制功能與速度 400mm/s 、位. 多點數 I/O ，採用. 置控制精度 2 μ. PC BASE 開放系統模. m 。. 組化的設計. 即時人機介面發展工具，即時影像分割、即時動態物體定位、追蹤與辨識．即時手指與手勢辨識．可與 3D 特效直. - 10 -. 標物判斷並可執行閃避障礙物等功能。. 4~5.

(21) 接整合。多能工伺服控制技. 類神經網路、演化式. 術，載具平台重複精. 演算法則、模糊邏輯. 度為± 10 μ m. 等決策仿造生物智. /300mm ，精密運動. 慧與運動。. 控制器規格， 1~8 軸步進／伺服控制。智慧型故障診斷系統設計技術。嵌入式系產業用嵌入式控制統. 目前形成半導體產. 系統整合應用技術。業群聚效應，各項 Soc/IP 蓬勃發展，. Broadcom 為通訊晶片市場領導者，主力產品包括 DSL 、. 關鍵零組件 IP 仍待 Cable 、 Modem 、突破。. WLAN 、 VoIP 、 Embedded Memory 等功能整合成一個晶片。. 16 位元嵌入式作業. Intel 的 Soc 主要. 系統，可由 ROM 起. 為 Home GateWay 概. 動或由 Flash 載入. 念為 PC-Base 的延. 執行具工作元間通. 伸。. 訊 (IPC) 及同步控制功能，支援插入管理、工作元排程、時間管理等功能。 32 位元嵌入式作業. 目前業界有自行開. TI 專長於 DSP 、類. 系統，為. 發自有處理器. 比等技術，在 SOC 之. Preemptive 特性之. 應用為 OMAP 技術平. 即時性多工作業系. 台，包含 MPU 、 DSP. - 11 -. 無.

(22) 統核心之設計，提供. 與多種周邊介面整. 動態記憶體配置管. 合的 IC 。. 理能力，具工作之間通訊 (IPC) 及同步控制功、支援插斷 (Interrupt) 管理、工作元排程、及時間管理等功能。 RISC 即時性嵌入式作業系統。資料來源：精密機械研發中心整理， 2005 年 5 月。. 表1-5 產業發展目標規劃[5] 第一階段. 期間由目前至西元 2008 年，預估產值將達到新台幣 300 億元，以建置產業環境為發展方向，以創造市場及擴展優勢產業為推動目標，依技術的純熟度與市場應用需求面，本階段發展之產品領域以導覽服務、休閒娛樂、家庭服務、生產製造為重點。. 第二階段. 期間由西元 2009 至 2013 年，預估產值將達到新台幣 900 億元以上，以擴大產業規模為發展方向，以擴大市場及產業規模化為推動目標，依技術的純熟度與市場應用需求面，本階段發展之產品領域以公共服務及照護服務為重點。. 第三階段. 期間由西元 2014 至 2020 年，成為智慧型機器人主要製造國，以鎖定利基產業市場為發展方向，以智慧好生活及進入全球市場為推動目標，依技術的純熟度與市場應用需求面，本階段發展之產品領域以特殊用途服務及醫療輔具為重點。. - 12 -.

(23) 1.1.4 現階段技術開發成果及產業應用概況由於智慧型機器人是結合機械驅動技術、環境感知技術、智慧化控制軟體、嵌入式系統等相關技術，為一個高度技術整合、高關聯性的高科技裝置，其每一項技術對智慧型機器人的要件，如表 6 所示為其技術項目說明，目前台灣智能化機器人技術產業應用概況如表七，機械驅動技術為設計與開發輕巧靈活、高功率輸出、精度高的驅動機構，依技術開發層次提供未來智能化機器人的移動式機構或者任務型機構之性能與結構；環境感知技術為利用感測器設計技術與感測器應用技術達到機器人對環境的感知功能，環境感知訊號可提供智能化機器人依感知訊號輸出對應動作；智慧化控制為配合環境感知訊號，智慧型決策可判斷最適合的命令已提供機器人動作依據。決策軟體決定命令後，多軸同步運動控制與精密運動控制技術讓機械依造定之路徑運動。人機互動介面可讓人類以語音或圖形等媒介給定機器人任務；嵌入式系統嵌入式系統可放入智能化機器人的所有控制軟體，特性為專用性、即時性、微小型與省電等。未來可運用在移動式智能化機器人。在台灣自走車的技術研發，多屬於學術單位之研究，一開始研究集中於自動導引車或自動導航車的基礎技術，接著轉向走服務自走車的研究。相繼有交大電控系的電磁導引自動導航車；交大資工系的自走車影像導航研究；交大控制系的路徑追蹤器、超音波防碰撞規則、環境認知、運動規劃、系統設計與服務自走車的應用；中正大學電機系以輪椅為載具發展出服務自走車影像導航；清大計算機科學研究所提出自走車之動靜態障礙物之超音波模糊防碰撞法則；中正大學的多功能機械手指技術；台灣科技大學之行走式機械人；雲林科技大學的車輪式自走車之導航控制技術與系統；成功大學發展出模糊影像導引自走車控制技術；中正大學工學院提出智慧型運動規劃、訊號融合、自我定位與分散式模糊行為融合反應控制策略等研究成果，該理念已實際應用於 MARGE 的服務自走車上。由於自走車的技術開發與應用廣泛，所以也吸引許多機械與農機方面的學者專家從事相關研究工作，比如台大機械系，台大農機系，中興農機系等從事溫室或精準農業環境的應用與相關技術的開發。除了學術界的研究工作外，工業技術研究院也投入不少人力製作自走車，並將其成果用於辦公室的物件與包裹傳送。工業界的物流搬運大多僅限於傳統的光學、電磁波或剛帶等無軌式的導引方式，少數採用無軌式導引方式。. - 13 -.

(24) 表1-6 智能化機器人技術項目[6] 技術項目機械驅動技術. 技術說明小型高出力致動器. 減小機器人體積與增加傳動效率. 移動式機構驅動控. 自走式機器人的載具，型態可分輪型、人. 制. 型、蟲型等. 機械手臂驅動控制. 機器人執行任務設備. 輕量化結構. 減少機器人自身重量造成能量損失. 影像辨識. 週遭物件與人物辨識. 環境模型. 將相關環境特徵資訊建構成地圖資訊. 語音命令辨識. 可接受人類語音命令. 自我姿態感知. 包括移動式機構與機械手臂狀態感知. 多重感測器融合. 融合多種感測器以增加對環境之判定. 智慧化控制軟. 多軸同步運動控制. 多軸機器人與多個機器人協調運作技術. 體. 精密運動控制. 精密定位控制與精密力量控制技術. 智慧型決策. 對環境認知計算出最佳命令控制機器. 人機互動介面. 人與機器的溝通介面. 運動規劃. 目標確定後 ,計算最佳化路徑提供機器. 環境感知技術. 人運動嵌入式系統. 即時多工作業系統. 省電、高效率、小型化系統. 資料來源：精密機械研發中心， 2005 年 5 月. 環境感知技. 影像辨識. 環境人物與物件辨. 利用感測器設計技. 識. 術與感測器應用技. 語音命令辨識. 個人化語音辨識. 術達到機器人對環. 環境模型. 全域地圖建構. 境的感知功能，環境. 多重感測器融合. 自我資態感知. 感知訊號可提供智. 雷射導航技術. 能化機器人依感知. 聲納導航技術. 訊號輸出對應動作。. 術. - 14 -.

(25) 智慧化控制. 多軸同步運動控制. 軟體. 精密運動控制. 車型機構運動控制. 配合環境感知訊. 履帶式機構運動控. 號，智慧型決策可判. 制. 斷最適合的命令已. 全相運動機構運動. 提供機器人動作依. 控制. 據。決策軟體決定命. 機械手臂運動控制. 令後，多軸同步運動. 微奈米定位控制技. 控制與精密運動控. 術. 制技術讓機械依造. 力與路徑混合追蹤. 定之路徑運動。人機. 控制. 互動介面可讓人類以語音或圖形等媒. 智慧型決策人機互動介面. 圖形互動. 介給定機器人任務。. 語音互動運動規劃. 最佳化巡航路徑計算機械手最佳化路徑規畫. 嵌入式系統. 即時多工作業系統. 嵌入式系統可放入智能化機器人的所有控制軟體，特性為專用性、即時性、微小型與省電等。未來可運用在移動式智能化機器人。. 資料來源：精密機械研發中心， 2005 年 5 月。. 1.2 研究動機研究的動機，在於準備參加 2009 年屏東科技大學舉辦一場工業機器人競賽，此次競賽是以小型機器人來模擬的，雖是小型機器人，但其所使用的人工智慧式相同的，藉由比賽也可帶動機器人的發展，這個比賽是賦予堆高機智慧，幫助人搬運貨物，也是自 - 15 -.

(26) 動化倉儲地一種。. 1.2.1 任務與挑戰今年以實際執行自動化倉儲管理所面臨之挑戰作為求解問題，圖示如圖 1 所示：虛線僅為示意實際並不存在。. 比賽場地底色為白色，牆面內側為黑色高 9 公分。無人搬運車為黑色(固定於地面，不可移動)，如圖 2 所示。貨物與棧板(一體成型)為黑色，重量 160 公克±10 公克，木板組裝，如圖 3 所示，擺放位置為緊靠後方牆面，共有 9 個連續放置，由於貨物與棧板有 2 公厘以內之誤差，最後一個貨物與棧板距離側牆 40~50 公厘(詳見圖 4)。線段為黑色寬 1.8 公分。競賽台實物如圖 5 所示。 A 組競賽任務說明如下：堆高機機器人由出發位置前進至卸貨區，將貨物由卸貨區搬運到存貨區，作業時間為兩分鐘。 B 組競賽任務說明如下：堆高機機器人由出發位置前進至卸貨區，將貨物由卸貨區搬運到存貨區，於搬運路途中設有兩台模擬無人搬運車之固定障礙物(障礙物與競賽台底面固定，不會移動)，作業時間為兩分鐘。 ‧無人搬運車位置於競賽前 10 分鐘公佈，公佈前所有參賽隊伍必須繳交機器人，因此無人搬運車位置公佈後，參賽隊伍沒有時間做練習。. - 16 -.

(27) (a)A 組平面圖. - 17 -.

(28) (b)A 組 A-A 剖面圖. (c)B 組平面圖 - 18 -.

(29) (d)B 組 B-B 剖面圖. (e)無人搬運車示意圖. (f)貨物與棧板示意圖. - 19 -.

(30) (g)燈具示意圖圖1-1 競賽場地. 圖1-2 無人搬運車. - 20 -.

(31) (a)組裝方式. (b)使用油漆. - 21 -.

(32) (c)實物圖圖1-3 貨物與棧板(一體成型)說明. 圖1-4 貨物與棧板擺放位置. - 22 -.

(33) 圖1-5 競賽台實物. 1.2.2 評分標準成績計算依機器人完成任務狀況，採積分方式給分，計算方式如下： ‧將一個貨物由卸貨區完全搬運到存貨區加 5 分(如圖 6 貨物 1 所示)。 ‧但貨物未完全放置於存貨區內則加 3 分(如圖 6 貨物 2、3)。 ‧貨物掉落於途中加 2 分(如圖 6 貨物 4、5 所示)。 ‧貨物部分移出卸貨區加 1 分(如圖 6 貨物 6 所示)。 ‧ 貨物未搬出卸貨區不給分(如圖 6 貨物 7 所示)。 ‧ 機器人不可碰觸外牆，每碰觸外牆一次，則扣 1 分。 ‧機器人於同一位置停留超過 10 秒鐘則比賽提前結束(積分仍保留)。 ‧若有積分相同之情況，優先順序以機器人重量為準，越輕者名次越高。除依據機器人完成任務狀況外，本競賽另依據各組表現頒予其他獎項： ‧堆高機擬真獎於各組機器人展示時評比，裁判依照機器人擬真程度給予分數，外型佔 30%、機構佔 70%。. - 23 -.

(34) ‧參與角逐人工智慧獎之各組必須繳交說明海報(高 90 公分以內，寬 60 公分以內)，裁判依各組海報內容提問並給予分數，人工智慧方法佔 50%、人工智慧應用佔 50%。 ‧參與角逐程式設計獎之各組必須繳交說明海報(高 90 公分以內，寬 60 公分以內)，裁判依各組海報內容提問並給予分數，程式分析與設計佔 50%、程式邏輯佔 50%。貨物搬運記分方式. 圖1-6 成績計算方式. - 24 -.

(35) 1.3 研究目的智慧型機器人產業是結合機械、自動化、電機、光學、電子、資訊軟體、通訊、安全系統、創意內容等相關技術，為一個高度技術整合、高關聯性且具有高附加價值的明星產業，未來運用之範圍非常廣泛。本論文探討自主型機器人精確移位及定位問題。因為影響機器人定位精確度的因素很多，例如馬達的轉速穩定度，各式感測器的精確度，或是場地所給予的資訊充分度等。此競賽題目具備多重挑戰，首先是要避開無法預測的障礙，此障礙是比賽當天才公佈的，且公佈後不得修改程式；再來如何取得貨物是需要精確的行走、轉向及自我定位問題、貨物重量、時間(2 分鐘)、一次取幾個貨物及來回幾趟等路徑規劃。透過本次競賽的任務與挑戰，依任務和場地之需要，利用樂高 LEGO 模組元件並搭配人機互動介面軟體之撰寫完成 1. 工業型搬運機器人 2.自走機器人 3. 自動化倉儲機器人，為此本研究之目的。. - 25 -.

(36) 第2章文獻探討 2.1 機器人的定義「Robot」一字，起源於 1920 年一位希臘作家的作品，中文翻成機器人，似乎有點誤導，事實上 Robot 是與「人」不必然相關的，我們將看到大部分的 Robot 是不成「人」型的。我們看看美國機器人協會(RIA ,Robotics Institute of America)是怎麼定義的： A re-programmable multi-functional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks.[7] 霧煞煞是吧？我也是。還好最少承認以下四類都算機器人(robots)： A: Handling devices with manual control B: Automated handling devices with predetermined cycles C: Programmable, servo-controlled robots with continuous of point-to-point trajectories D: Robots capable of Type C specifications which also acquire information from the environment for intelligent motion 相對的，日本工業機器人協會(Japanese Industrial Robot Association)以更寬鬆的尺度認可以下六類都算機器人(robots)： 1: Manual - Handling Devices actuated by an operator 2: Fixed Sequence Robot 3: Variable-Sequence Robot with easily modified sequence of control 4: Playback Robot, which can record a motion for later playback 5: Numerical Control Robots with a movement program to teach it tasks manually 6: Intelligent robot: that can understand its environment and able to complete the task despite changes in the operation conditions 就因為各國對機器人的認定標準不一，以至於在計算及比較各國機器人的數量時難以有說服力，尤其日本有很多外國視為機器(machine)的東西，他們卻說是機器人(robot)，因此，全球老大哥國際標準組織(ISO, International Standards Organization)說話啦，它將 - 26 -.

(37) Robot 定義為： an. automatically. controlled,. reprogrammable,. multipurpose,. manipulator. programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications. [8] 從此就天下太平了嗎？一點也不，沒有一種定義可以滿足所有人的看法，工業機器人的先鋒 Joseph Engelberger 就很不以為然地說：I can't define a robot, but I know one when I see one. [9](我無法對機器人下一個定義，但當我看到它時，我肯定認識它)。. 很難為機器人一字下一個放諸四海而皆準的定義表示什麼？從科學的角度來說表示這門學問尚未定論，或者是說，機器人科學還是在演變、進化、變動中的學門領域，爭議本身就是科學現象。. 2.2 機器人分類要將現有的機器人做個明確、沒有爭議的分類實在是個難題，如果我們先將機器人依其工作性質或型態粗分兩種類型： A. 機器人做的比人好 B. 人做的比機器人好也許就比較容易分辨。. 2.2.1 A類機器人機器人做的比人好的工作是指有些工作機器人在速度、精準度、可靠度、持久力都優於人類，因此在工廠內很多以前人做的工作漸漸由機器人所取代，不但產能得以大增，生產成本也急速下降，這類型的機器人統稱為工業機器人(Industrial Robot)，他們幾乎都躲在製造業的工廠內，所以大街小巷比較少見。毫無疑問的，這類型的機器人是老闆的最愛，也因此這類型的機器人 50 年來數量上成長速度驚人，目前全世界約有 100 萬個這類型的機器人投注於所謂的「自動化生產」的行列，其中亞洲約占半數，1/3 在歐洲，北美約 16%，澳洲及非洲各僅 1% [10]。可以預見的，未來工業機器人的人口數只會增加不會減少，直到有一天，在「無人工廠」內的員工都是機器人。我們舉幾個大量晉用. - 27 -.

(38) 機器人的產業：. 汽車製造業：這個產業可能是機器人入侵最早，也是淪陷最嚴重的版圖，在輸送帶的兩旁，排排的機器人(手臂)，個個以一當十(百)，日夜不眠不休，有的擅長焊接，有的專精組裝黏著，最差的也會噴漆，人類想要收復失土，極不樂觀。. 電子業：與前述的傳統產業相比，電子業感覺起來比較有「高科技」的感覺，機器人在這個產業應該比較沒有發揮的空間吧？然而，事實並非如此，應該有看過印刷電路板 (PCB, Printed Circuit Board)，上而佈滿密密麻麻的零組件(例如個人電腦的主機板)，夠複雜了吧！但如果你有機會參觀電子廠，可能會看到機器人以其飛快的手臂，不斷地從碟盤或輸送帶上抓取各式的零組件，再精準地置入 PCB 上，論速度、準確度、及可靠度，人類遠非其對手，這個飯碗也丟了。. A 類型的機器人已經大量進駐產業界(不論是傳統或高科技)，這個趨勢銳不可擋，主要原因是人類技不如機器人。但也沒那麼悲觀，因為這群機器人大軍，個個還是人類創造的，人類還是主宰，它們只是沒有反叛能力的奴隸。. 2.2.2 B類機器人再看看 B 類型的機器人，它們能做的工作表現都比人差。這是乎有點矛盾，人類做的比較好的工作為什麼要機器人來做呢？因為人類有「人性」，骯髒的工作不做，窮極無聊的也不做，危險的更不做，達不到的地方(如火星)更無法做。我們也試著幾例這類型的機器人：. 家用機器人：家事人人會做，但大部分都懶的做，若能叫機器人來分憂解勞未必不是好點子。目前最具代表性的應該是麻省理工學院(MIT)研發，iRobot 公司出產的，稱為 Roomba 的吸塵器機器人[11]，售價從 120 美元到 500 美元，至 2006 年已銷售 200 萬台以上，該公司進而推出多種清潔用的機器人，有清洗地板的、清洗游泳池的、及清潔排水溝的，可以預見的，這類機器人逐日將陸續進駐美個家庭供人差遣。. 遠距遙控機器人(Telerobotics)：泛指因空間的限制，操作者(專家)得以利用各種通訊方式 - 28 -.

(39) (如藍芽, Wi-Fi, Internet)遠距離操作的機器人，例如 Intuitive Surgical 公司稱為達文西(da Vinci)的遠端遙控手術台得以讓外科醫師為千里外的病人開刀[12]。另一典型範例是美國太空總署(NASA)的火星探測機器人(MER,Mars Exploration Rover)[13]. 軍用機器人：不可否認的，人類是貪生怕死的動物，機器人就很勇敢，危險性的工作推給它們做就顯得理所當然，所以各國軍方對此是最感興趣，也著力最深。尤其美國軍方早在伊拉克及阿富汗戰爭中派遣無數的機器人去戰場上拆地雷，偵察，甚至執行單兵作戰任務。雪菲爾大學電腦系教授人工智慧專家夏奇警告，科學家致力研發的軍事機器人，有朝一日可能引發全球機器人軍備競賽，而由於科學家的積極投入，戰場上出現自主性殺人機器人的場景可能在十年內就會成真，他甚至說：「由機器人決定是否終結人類的想法嚇壞了我。」[14]。另外有一類人稱「救援機器人」雖不見得用於軍事上，而是用於火災、地震等天災，但其性質也是高危險性，應可歸類於此類型。. 看護機器人：隨著醫療的進步，人類人口老化問題越來越嚴重，伴隨著少子化的影響，老人人口越來越多，年輕人口卻反而下降，雖然年輕人是最佳的照護者，但常常為生活忙碌無法照顧這些老人，機器人因而是可能的替代人選。目前尚未研發出完全足以取代人的機器人，但如果我們先別把標準放那麼高，先從能陪伴或娛樂老人等較簡單的項目著眼，那麼類似 SONY 公司的 Aibo 及 Qrio 就很有開發潛力，Aibo 是機器狗，能陪伴孤單的老人；Qrio 是會跳舞的機器人。日本玩具知名大廠 SEGATOYS 5 年前開始推出一系列外型可愛、能夠與人互動的機械寵物，該公司 12 日公佈科學研究表示，去年底發售的最新機械寵物「夢之貓頭鷹」的確具有療癒功效。而在貓頭鷹之外，該公司所推出的機械寵物從常見的貓、狗乃至於小馬、小雞應有盡有，充分滿足現代人渴望寵物慰藉卻又沒時間照顧寵物的心理需求[15]。. 尚有很多知名的機器人我們在此沒有提到，例如 Honda 的 Ashmo，它是目前跑得最快的機器人(6 km/hour)，當然它應該是屬於Ｂ類的機器人，但總不能自創一類「跑步機器人」將它歸類，事實上，B 類機器人的能耐現階段還是離人類一大段距離，幾乎可以說都還在研究階段，所以我們就將其歸類為「研究型機器人」，將很多尚未商品化的機器人歸類於此。讀者若是上網 Search 一下，就會看到很多值得認識的機器人，例如 Search：〝Ten Top Robot〞。世界上很多國家級研究單位都正努力地在研究各式的機器人，有走 - 29 -.

(40) 的、飛的、爬的、游的；大的、小的、超微的；二足、三足、四足、六足、八足、百足、無足的；定形的、變形的，林林總總都有人在鑽研，這些研究型機器人有朝一日，其技術成果將可以用於各種功能或用途的機器人。. 2.3 學習機器人科學機器人這個學科可以說是整合物理、數學、電機、機械、電子、控制、及電腦等等領域的學問，一個人要精通這些跨領域的知識實屬不易。但如果你對機器人很有興趣，那要如何入門學習呢？我的建議很簡單：寓教於樂！而且門檻不高也不貴之道───樂高 (LEGO®)玩具。. 2.3.1 LEGO® Mindstorms™ 先簡短介紹與本主題相關的歷史背景，LEGO，這家成立於 1932 年，已經有 76 年歷史的老公司，創辦人的座右銘「The best is good enough」值得給做事「馬馬虎虎、青青菜菜」的人當借鏡。它的產品相信很多人在孩童階段或多或少都有接觸過，記憶或印象中大概是簡單的積木堆砌，隨著年齡的增長及課業的加重，兒時的積木大概都已埋進儲藏室的最深處了，同時，聲光俱佳的電子遊戲產品漸漸佔據了學童的遊戲空間。為了讓這些「死」積木能夠「活」起來，於 1988 年 LEGO 與美國麻省理工學院(MIT)合作研發一種「智慧型積木」(Intelligent Brick)，歷經漫長十年，於 1998 年才發表其第一代的「機器人」：Mindstorms™，其核心產品是稱為 RCX 的控制器，從此帶動了機器人的學習熱潮，每年的 FIRST LEGO League 競賽吸引成千上萬的青少年參與就是一個成功的例子。八年後，也就是 2006 年，LEGO 再發表其新一代的「機器人」：Mindstorms NXT，新一代的 NXT 控制器使用 32-bit 的微處理器為核心，不但更快更靈活，且其全新設計的馬達及感測器，操控性及靈敏度都比第一代佳，更令人驚艷的是其組裝哲學不再只是堆砌，靈活地運用「栓」的技術，將使機構組裝更快速簡潔。. 有第一代 RCX 經驗的人，過渡到新一代 NXT 也許會稍微不適應，但個人經驗是這種不適應感很快就會消失，而且上手後，迫不及待要將還有剩餘價值的 RCX 脫手，畢竟 LEGO 花了八年不會忽略上一代使用者可能面臨的問題，況且 LEGO 已停產 RCX，後續支援 - 30 -.

(41) 也只到 2009 年，所以升級是遲早的事。. 至於 Mindstorms 的新手而言，就沒有新舊兩代的問題了，當然是從 NXT 著手入門啦，至於價錢呢？(前言有提到：不貴，不過這是相對的問題。)LEGO 將其 Mindstorms NXT 分成兩個版本：教育版(編號 9797，建議年齡 8 歲以上) 及零售版(編號 8527，建議年齡 10 歲以上)，在台灣，教育版定價在兩萬出頭，其零件總類如圖 2-1 所示；零售版定價約少五、六千元，當然啦實際售價就很多樣啦，網拍的價格就低很多，如果你能在美國買就更便宜了。教育版較貴是因為有可充電的鋰電池、轉接線及工具箱；但零售版零件反而較多一點。要買哪個版本主要還是要看個人需求，但如果你拿不定主意，我會建議買零售版，因為(1)較便宜；(2)鋰電池電壓低(充飽約 8.4V)、故障率高，且可以用六顆一般 3 號電池(新電池有 9V 以上)替代；(3)省下的錢買工具箱(500 元)綽綽有餘；(4)除非再花約 6500 元購買 9648 擴充組，否則教育版只能組裝車輛，零售版因多了圖 2-2 所示的一些好用的零件，反倒可以組裝如圖 2-3 所示的車輛(Tribot)、機器手臂(T56)、蠍子 (Spike)、及兩足機器人(Alpha Rex)。. 組裝圖 2-3 所示的 4 種機構難不難？為了解這問題，筆者曾經把 Tribot 與 Spike 的組裝程序圖給毫無基礎的小五及國一的小朋友當場組裝，結果，雖然約各需耗時 2 至 3 小時，但都能順利地完成，大部分的時間是花在尋找順便認識小零件上，日後證明，只需稍做練習，機構組裝的學習速度是很快的，這些小朋友在參與競賽時，幾乎都可以在 15 分鐘內完成競賽機器人的機構組裝，所以，「按圖施工」絕對難不倒大朋友的。. Mindstorms NXT 只能創造這 4 種組裝物嗎？如果是的話，那這種機器人套件的價值性就大幅減低了。這 4 種組裝物只是 LEGO 用來代表運輸、營建機具、動物、及人類等 4 類示範性機構，其實這組套件能組裝無限類型的機器人，關鍵只在於「創意」──這也是 Mindstorms 的出發點，鼓勵從玩樂中學習，然後發揮創意，創造屬於自己的機器人，如果你到 You Tube 網站打入「Mindstorms」或「NXT」搜尋，你就可以看到很多玩家把他們的作品透過影音分享出來，很多是非常值得觀摩學習的。所以，「按圖施工」只是剛入門時短暫的階段，很快就必須進入「創造」階段。. LEGO Mindstorms 套件還有一個很吸引人的優點：可重複使用(Reusable)，上述的 4 種 - 31 -.

(42) 組裝物及接下來將介紹本團隊參賽的所有機種，都是使用同一套件，這個特點大大提高其「邊際價值」，你隨時可以把不喜歡的機種拆解，再組裝你想要的，用來用去還是這些零組件。. 圖2-1 Mindstorms NXT 9797 零件. 圖2-2 8527 獨有零件. 圖2-3 車輛(Tribot)、機器手臂(T56)、蠍子 (Spike)、及兩足機器人(Alpha Rex). - 32 -.

(43) 2.3.2 程式當你組裝完成一個機器人後，不管是三輪車、怪手、昆蟲、還是人，然後呢？至此你完成的只是「軀殼」，有軀殼而沒有「靈魂」，機器人還是不能動，只能當擺飾。如何附給它靈魂呢？對！就是軟體，也就是要寫程式。 LEGO Mindstorms 是很適合當成第一個入門的電腦程式語言，而且從小學到大學都很適合，因為： z. 程式目的明確單純：圖 2-4 顯示 NXT 控制器只有 3 個輸出(通常接馬達)、4 個輸入(可以是碰觸、聲音、光感、或超音波測距等等感應器)，所以程式目的已經縮小到藉由輸入的感應值已調整馬達的轉向或轉速。. z. 圖形化介面：透過如圖 2-5 的圖示，初學者很容易意會指令的意涵，不必費心解讀生澀的文字，尤其幾乎所有的程式語言都是英文，有人英文程度不佳，大部分小朋友更是上未接觸。. z. 直覺式程式：基本上不用像學習通用型程式語言(general purposed, like C)，必先了解其語法及語意，對基本的函式庫(libery)也應有所認識，甚且，程式複雜的話又必備資料結構及演算法的知識。. 圖2-4 輸入感測器、輸出馬達、及 NXT 控制器. - 33 -.

(44) 圖2-5 ROBOLAB 圖示模式程式. 2.3.3 程式語言選擇為 Mindstorms NXT 寫程式的語言很多，至少有下列 6 種程式環境可供選擇： NXT-G, ROBOLAB, ROBOTC, NXC, pbLua, NXJ，如果你想更深入了解或比較這 6 種語言的優缺點，Dick Swan 先生文章[16]很值得參考。基本上，NXT-G 及 ROBOLAB 是圖示介面的，其餘的都是文字介面的；NXC, pbLua, NXJ 是免費的，前 3 者都是 US$50；論程式功能或程式執行速度及效率，當推 ROBOTC；論簡易度或親和度，圖示介面的 NXT-G, ROBOLAB 遠優於其他文字介面的語言。有程式語言基礎的高手，可以選用文字介面的語言；初學者，建議由圖示介面的 NXT-G, ROBOLAB 入門。. ROBOLAB 是 LEGO 最早委由美國波士頓的 Tufts 大學的 CEEO[17]研發的，也是從 1998 年就與早期的 RCX 同時上市的圖示介面語言，2006 年 LEGO 發表 NXT 時，Tufts 大學也把 ROBOLAB 升級到可以兼顧 RCX 及 NXT 的 ROBOLAB 2.9 版，但令筆者不解的是 LEGO 同時也推出 NXT-G，並且宣稱 ROBOLAB 2.9 版是最終版，日後不會再升級了云云，頗有要強推 NXT-G 及準備放棄 ROBOLAB 的味道。基本上這兩種語言都是以 National Instruments(NI)公司的 LabVIEW™[18]開發的，委由 LabVIEW 的原創公司 NI 所研發的 NXT-G，照理說應該比 ROBOLAB 更令人期待。筆者也滿懷期待試用一下，結果，除了親和度稍優之外，其他的簡直令人卻步，不但執行速度慢，而且是吃記憶體的怪獸，其程式編輯介面也只能讓小朋友寫很小很小的玩具程式(toy program)，連中小型的程式都很難編輯。可能抱怨的不少，所以 NXT-G 現在已經由 1.0 版升級到 1.1 版，其缺失改善多少，筆者尚無進一步探討的打算。. - 34 -.

(45) 第3章研究方法 3.1 樂高LEGO模組元件和圖形介面開發軟體本論文選擇使用樂高的 Mindstorms NXT 套件來達成，由於樂高具有重組性高的優點，輕易可以組合出想要的結構，若有錯誤需要調整也不必花費很大的工夫，有別於一般的機械設計，必須事先設計，擬圖，再由工廠完成，萬一成品有錯誤，修改必須重新做一個，花費許多物力，樂高卻是相當隨性的，突然有的創意可以立即付諸實現。樂高也發展了許多感測器，紅外線感測器用來感應物體亮度的大小，超音波感測器可用來測量物體的遠近，觸碰感測器可來當作一個開關，伺服馬達可以精確的控制行走的距離，因其具有靈敏的角度感測器，另外也副廠開發不同的感測器，讓樂高具有更多變化性。. 3.2 樂高LEGO模組 3.2.1 RCX控制器丹麥知名玩具廠商樂高（LEGO）公司和美國麻省理工學院的媒體實驗室（Media Lab）於 1986 共同合作進行開發一項「可程式積木（Programmable Brick）」的合作案，並發展出一個可以跟任何樂高積木相結合的控制器-RCX（Robotics Command System）如圖 3-1 所示，它是由一個 8 位元的單晶片，LCD 螢幕、3 個輸入端連接感應器、3 個輸出端連接馬達或燈泡，以及一個紅外線收發裝置所組成。使用者可將在電腦上撰寫好的程式，透過紅外線傳輸器-IR（Infrared Transmitter）下載到 RCX 內，然後透過所搭配的輸出入元件（馬達、光源感應器或觸控感應器）來控制機構作出各種不同的動作。. - 35 -.

(46) 圖3-1 RCX 控制器. 3.2.2 NXT控制器在2006年9月，樂高（LEGO）公司和美國麻省理工學院再度共同開發的新一代智慧型機器人開發套件LEGO MindstormsNXT（以下簡稱NXT）如圖3-2所示LEGO MindstormsNXT 基本組成結構[19]。 NXT是由一顆32位元ARM 7微處理器和四個輸入端（連接感應器）、三個輸出端（連接伺服馬達），以及一個USB 連接埠（連接電腦）所組成。除了使用USB 連線，NXT 可程式積木也可以透過藍芽通訊協定連接至個人電腦。在感應器方面，NXT 加裝了此前配備的光感應器和觸碰感應器的性能。另外，還配備了超音波感應器和聲音感應器。人接近時，機器人可以做出特定的動作，或對聲音做出反應，發出擬音及有簡單意義的單詞，如表3-1所示為NXT各式感應器和伺服馬達機構之說明。除了可程式積木的造型酷似iPod以外，且因設計機器人機構時需大量採用如圖4和圖5所示的LEGO TECHNIC系列積木零件，因此設計者可依實際需求自行搭配積木而組合成的機械機構不僅更加靈活，也頗具現代感。. - 36 -.

(47) 圖3-2 LEGO MindstormsNXT 基本組成結構. 表3-1 NXT 各式感應器和伺服馬達機構之說明在機械手臂前端可利用觸碰感應器偵測是觸碰感應器. 否碰觸到物品，如果有，則將它抓起來。. 此種感應器可以偵測反射物的亮度。顏色光源感應器. 較暗的物體，光源感應器的回傳值較低；顏色較亮的物體，光源感應器的回傳值較高。聲音感應器可以偵測機器人周遭的聲音大小，其測量單位分為dB（分貝）與dBA（調. 聲音感應器. 整分貝）兩種。透過聲音感應器，你可以藉由聲音大小的變化來改變機器人的行為。 NXT 超音波感應器酷似人類的眼睛，可以. 超音波感應器. 偵測距離的遠近（有效範圍約255公分），其測量單位為英吋或公分。. - 37 -.

(48) 伺服馬達. 裝上伺服馬達以後，樂高機器人就可以自由移動，或執行某個動作。因為NXT 伺服馬達內建「角度感應器」，我們可以更精確地控制馬達運轉行為。. 連接線. NXT 專用連接線用來連接NXT 可程式積木與各種感應器，或伺服馬達。目前的連接線有三種規格： 20 公分、35公分與 50 公分。. - 38 -.

(49) 圖3-3 LEGO TECHNIC 系列積木零件. - 39 -.

(50) 圖3-4 LEGO TECHNIC 系列積木零件. 圖3-5是以LEGO MINDSTORMS NXT開發套件（產品編號8527）組合的標準模型 — AlphaRex，實際高度約30公分。雖然AlphaRex全部以樂高積木組成，但是它有幾項特點：一、主體為NXT可程式積（Programmable Brick），可執行多種開發語言所撰寫的應用程式。它擁有四個輸入端（1, 2, 3, 4）與三個輸出端（A, B, C），可藉此讀取感應器的輸入值，並控制伺服馬達如何運轉。二、眼睛與兩隻手臂前端分別為超音波感應器、觸碰感應器、聲音感應器，可以偵測行進距離與周圍聲音大小。 ‧兩隻腳分別裝上兩個伺服馬達，轉動時可以帶動AlphaRex前進或後退。馬達旋轉方向與速度可以經由程式控制。由此可知，樂高機器人的運作原理非常簡單： 1.先利用各種樂高積木（包括感應器與馬達）組合出適當的模型。 2.在電腦上撰寫應用程式。 3.將程式下載到NXT可程式積木。. - 40 -.

(51) 圖3-5 利用 LEGO MINDSTORMS NXT 組合的機器人 Alpha Rex 4.在NXT可程式積木上執行已下載的程式。瞭解樂高機器人的基本運作原理以後，我們來看看NXT的硬體規格和各種感應器的用途。以下說明圖3-2中NXT可程式積木與各種感應器及伺服馬達的連接方式。 ‧NXT可程式積木：此為樂高機器人最重要的核心元件，擁有四個輸入端（連接感應器）、三個輸出端（連接伺服馬達），以及一個USB連接埠（連接電腦）。可透過USB 與藍芽無線傳輸連接至個人電腦。圖3-2是NXT可程式積木的硬體規格。 ‧觸碰感應器：當觸碰感應器被壓下時，回傳值為1；未按下的回傳值為0。此類型感應 - 41 -.

(52) 器可以做為機械模型的啟動/停止開關。舉例來說，在機械手臂前端可利用觸碰感應器偵測是否碰觸到物品，如果有，則將它抓起來。. 表3-2 為 LEGO 的 RCX 與 NXT 的硬體規格比較。項目. 處理器. 8 位元 Hitachi H8 微處理器. 32 位元 ARM 7 微處理器. 記憶體. 16Kbytes ROM. 256Kbytes FLASH. 32Kbytes RAM. 64Kbytes RAM. 傳輸方式紅外線. USB .0 與 Bluetooth. 顯示螢幕只能顯示數字的 LCD. 可以顯示 100 x64 像素的 LCD. 輸入端. 3個. 4個. 術出端. 3個. 3個. 馬達. 直流馬達. 伺服馬達（內建角度感應器）. 電力. 1. 5V 電池 x6. 1. 5V 電池 x6 或是 NXT 專用鋰電池. 感應器. 光源感應器. 觸碰感應器. 角度感應器. 光源感應器. 溫度感應器. 聲音感應器. 觸碰感應器... .... 超音波感應器顏色感應器加速度感應器. - 42 -.

(53) 3.3 程式開發軟體當LEGO MINDSTORMS NXT在2006年八月正式問世時，樂高公司同時提供兩種視覺化的N X T 程式開發環境： L E G O M I N D S T O R M S N X T. Software. 與ROBOLAB，而本論文選定ROBOT C來實現完成本研究。. 3.3.1 ROBOLAB ROBOLAB是LEGO最早委由美國波士頓的Tufts大學的CEEO研發的，他是以美國國家儀器公司（National Instrument，NI）的LabView軟體為基礎開發出來，於1998年與早期的RCX同時上市的圖示介面語言，版本2.5.4，僅支援RCX可程式積木。而目前的 ROBOLAB 2.9版已支援NXT。如圖3-6所示. ROBOLAB圖示模式程式. 圖3-6 ROBOLAB 圖示模式程式. ROBOLAB 操縱方式以圖 3-7 所示的自行車為例，利用 ROBOLAB 2.9 來控制其行走距離，其操縱流程分為三步驟：步驟一、將寫好的程式載入 ROBOLAB 裡，進入如下圖 3-8 之介面環境，所有程序都由綠燈開始，紅燈結束。介面上只有 2 種圖式，第一個是輸出設備圖式(指定輸出端為 A)，第二個是等待條件，假設此程式的等待條件只有時間，故連接在端口 A 的馬達轉動四秒。. - 43 -.

(54) 圖3-7 自走車步驟二、輸出命令，馬達A(圖上所標示的A表示馬達連接在A端)轉動方向：當點入時，會出現三種選擇圖式；馬達順時針轉動、馬達逆時針轉動、亮燈，如圖3-9所示。步驟三、等待程式命令，等待四秒：當點入時，裡面有六種時間 1、2、6、8 和 10 秒進行選擇，如圖 3-20 所示。. 圖3-8 ROBOLAB 操縱方法之 1. - 44 -.