結合智慧型手機與機器人之專題
導肉式教學
曾吉弘*博士生
淡江大學電機工程學系壹、前言
機器人是一鬥跨領域的學科，學生需要理解如何組裝各類元件來搭建機器人硬 體架構、編寫程式來設計機器人如何與機器人互動，也需要不斷根據外在環境來調整 機器人的各類設定使其得以適應。甚者，當修習進階機器人行為控制例如距離方位判 斷、影像辨識與多廠測器互動等議題時，學生需要理解更難一點的多維矩陣運算、控 制方法與數值估測理論等。故此本文在於提出一結合智慧型手機與機器人之學期課程 內容與成效評估，提供有興趣進行此類教學者參考。貳、課程發想
本課程發想之初衷，在於智慧型手機具備多種高階機器人行為控制的關鍵功能， 例如相機、 GPS 定位晶片、網路功能，以及各類風測器，可讓機器人做到影像辨識、(
物件追蹤、地圖定位、網路通訊、語音辨識與導航等。此類元件或者機器人處理器無 法負荷或者是所費不賀，較難讓班上每位同學都有一套設備可操作。反觀現下智慧型 手機普及，且可透過紅外線、藍牙與無線網路來連接各類外部裝置，因此整體的教學 環境較數年前來得成熟。*本篇通訊作者:曾吉弘'通訊方式 [email protected]
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中等教育第66卷第 3 期結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學 手機戚測器結合機器人之應用簡列如表 1 '事實上表中每一個項目都是大學電 機、資工相關科系之一整學期之課程，故此本文作者設計本課程之目的，並非在於讓 學生精通下表中各功能，而是讓其理解智慧型手機與機器人結合之後的各種多元應 用，並對於物聯網與各類網路服務有一定的認識。 表 l 手機戚測器結合機器人之應用 手機功能 機器人可執行之應用 相機 影像辨識、物件追蹤 GPS定位 地圖定位、導航 WiFi與GPRS行動網路 網路通訊 語音辨識與輸出 聲控與語音對談
參、課程規割
本課程之設計目標，在於使用 Java程式語吉來編寫各類，讓學生對於Java這類物 件導向程式語言以及高階機器人行為控制，得以在實作中逐步建立概念。本學期課程 共 16週，可分成四個階段: Android基礎、機器人基礎、結合網路服務與進階機器人行 為控制。課程規劃如表2: 表2 十六週課程名稱與內容 週數 課程名稱 課程內容 階段1:
Android基礎 Android環境安裝 安裝AndroidSDK
開歐模擬器2.
介面設計 認識畫面元件.按鈕、下拉式選單與標籤等3
介面設計 畫面元件:載入網頁、呼叫外部程式 階段2 :機器人基礎 咕咕一\ 、 4. 機器人組裝 組裝雙輪機器人理解如何控制兩個馬達轉速來控制機器人行進方向 、司..-.J5.
與外在環境互動 取得指定埠之戚測器值使用 if/else 來講機器人得以躲避障礙 物(
ρ
「繳交提案計畫書」
7
廠測器 使用手機的姿態國測器來控制機器人的行進方向8. 觸控 取得觸碰點座標(圖 3)
9.
期中展示 展示學期專題的部分功能階段3: 結合網路服務
10.
1
1.
人侵者偵測 當手機的 GPS 戚測器偵測到位於某個範圍之內時，就自動寄 發電子郵件12.
13.
路徑規劃 規劃機器人與目的地之間的路徑 計算距離與方位角14.
宮賽「課堂競賽」聲控逃 結合 Google 語音辨識服務，對手機講出指令來控制機器人 (圓的15.
相機 顏色辨識與物件追蹤(圓 5)16.
期末展示 學期成果展示(圓的 硬體 硬體採用樂高 Nxt機器人，此為臺灣相當普遍之教育性機器人套件。 軟體 使用 Java物件導向程式語言來開發An droid 智慧型手機程式。 通訊方式 現下機器人常見的通訊方式有紅外線、藍牙與無線網路。ζ
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t 等教育第66卷第 3 期結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學
EV3
圈 l 樂高雙輪機器人平臺間
. . .
間閣A.ill
國 2 按鈕控制機器人之手機畫面 國 . 團is 圖-•
圖 5 使用手機進行影像辨識的機器人 圈 6 學生期末展示 圖 3 使用多點觸碰來控制機器人左右馬達轉速 圖 4 使用 Google Chart#.:會製戚測器圖表。
平均值 標準差 t值 比較 (前測/後側) (前測/後側) l 硬體操作
3.12/3.83
3.52/3
.4
1
3.31**
1 <2
2. 智慧型手機程式設計3.27/2
.4
9
2.53/2
.4
1
2.11 *
1
=2
3 手機控制機器人2.62/3.61
3.68/3.24
4
.4
3***
1 <2
4 自我評估與學習動機3.82/3.36
3.57/3.08
3
.4
2***
1<2
整體評估 3.34/3.的3.55/3.20
3.77**
1<2
名。於學期初與學期結束實施於前測與後測。學生依據對於問題的認同度與否給予 「非常不同意」至「非常同意」等五個級距。問卷問題分成四類 r 硬體操作」、 「智慧型手機程式設計」、「手機控制機器人」、「自我評估與學習動機」。扣除無效問卷3份之後，施行T檢測之結果如表3
:
表3 問卷統計結果恆、結識與汞來展望
本文因應當下智慧型手機日漸熱門的趨勢，試著將手機的各種功能與機器人平臺 結合，設計出一學期之整合性課程。根據本學期的問卷實測結果，可得出本課程設計對於本文之實驗樣本(淡江電機系35位大三、大四同學〉在「硬體操作」、「手機控
制機器人」以及「自我評估與學習動機」等三方面有正向助益。期待之後能收集更多 樣本數並於不同科系施作本課程，並進行相關之差異比較。ζ刁
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中等教育第66卷第 3 期附錄:間卷
結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學C
硬體操作 2 1.我能獨立完成機器人的機構設計(不限難易) 2 我能設計一個可夾取/搬動罐子的機器手臂。 3.我能將兩個齒輪以 90度相接並順暢運轉。 4. 我理解車體長度、寬度、高度與輪胎尺寸對於輪式機器人在運動上的影響。 5.我理解如何安裝國測器來達到最好的偵測效果智慧型手機程式設計
6.我理解有關物件導向、繼承、多形與抽象他等重要Java干呈式設計概念。 7.我理解如何使用 Eclipse來查找指令說明與除錯。 8.我理解事件( event) 與監聽器( I 凶ener) 的使用方式與時機。 9我理解如何將程式安裝到模擬器或手機上以及打包為 apk安裝檔。 l 。我理解如何取得手機上的感測器狀態。 II 我理解如何運用多執行緒 (multi-thread) 方法來讓程式更有效率。12.我理解智慧型手機程式中的各種畫面冗件使用方法( Button 、 Spinner 、 EditText或Image等
等)
手機控制機器人
13.我理解如何使用姿態廠測器或陀螺儀戚測器，根據手機的傾斜狀態來控制機器人的動作。 14我理解如何將機器人的戚測器值，藉由 Google
Chart
API取得各式圓衰，例如折線圖或雷達圖。 15.我理解如何取得手指頭的觸碰點，並轉換為角度或移動距離與速度。 16.我理解如何取得手機的GPS 座標之後，發送給Google Map並取得現在的地圖畫面。 17.我知道如何消除風測器雜訊避免機器人過於敏廠。 18.我理解藍牙或網路傳送的封包格式。 自我評估與學習動機 自 9 碰到問題時，我會去查找相關書籍或網路資源。 2。我喜歡動手設計組裝不同的機器人機構。 21 對於製作機器人時所碰到的問題與挫折，我就是放棄不管了。 22.我能獨力完成課堂所指定的機器人並參加比賽(不限難易)。 23.我認為本學期課程難易適中，不需要事先修習過Java或相關程式語言課程。 可7
