今天我们来聊聊怎么制作属于自己机器人。这一次主要针对的对象,是希望能亲手制作出一只机器人的朋友。
如同许多成大师告诉我们的:「强大的内在动机,是驱使我们去克服万难达成目标的关键。」为什么呢?我们常说能够从机器人学习到太多的知识,换个角度来看,其实这也是告诉我们,机器人涵盖了众多知识领域。完成一个机器人,至少需具备下列几项知识和技能:机械、电子、电机、资讯工程、仿生学等等。
更进一步,甚至连工业设计、动物行为学和人类心理学都需要涉略。也就是因为包含了这么多的技术及知识领域,在制作机器人的过程中,欠缺任何一项技能,都可能造成过程的瓶颈,而无法完成机器人的制作,甚至终结了对机器人的兴趣。所以唯有强大热爱机器人的内在动机,才可能持续维持这项兴趣,并有恒心毅力来不断学习,以便克服一切障碍。
正如同许多玩家前辈所建议的,另一个重要的心法就是遵循KISS法则(Keep It Simple and Stupid): 保持简单明确!无论在任何阶段,这都是非常睿智的建议。
老实说,玩机器人可以是很花钱的兴趣,无论玩的是机器人套件,还是DIY自行制作机器人。对刚投入这个领域的玩家来说尤其如此。因为投入这个领域的初期,首先还没有足够的经验去挑选零件,很可能会投资一些冤枉钱在不需要或错误的零件上;同时,手边也还没有累积足够的零件和工具来使用;另外就是因为经验不足,在组装测试过程中也常有机会搞坏部分零件或工具,而必须重新购买。因此在全心投入机器人组装之前,需要先做些功课,并规划好预算。
要确定自己做出来的东西可以称为机器人,首先我们再回顾一下机器人的定义:「人类制造的机械装置,能对周边环境做出适当的响应、自主判断并达成特定任务。」也就是说,机器人必须具备感知环境、做出判断,并产生行动的能力。以机器人踢球为例,首先它要看得到球(感知环境),接着需判断要将球踢到哪里去(做出判断),最后产生踢球的动作,将球踢出去(产生行动)。这一系列的过程,跟人类足球员踢球的过程是很类似的。
有了基本观念后,接下来让我们开始制作机器人。一共包含了四个步骤:机器人概念设计、零件选用、机器人组装、和程控。
制作机器人的第一步,并不是直接拿起木板到锯床上切割。而是拿出白纸,先将想做的机器人雏型规划出来。这阶段,主要需定义机器人的功能、决定机器人的载具和移动方式,以及确认预定采用的机器人的控制方式。
第一只机器人的功能建议不要太过困难或复杂,最好以进行简单的任务为目标(记得KISS法则吗?)。在这个阶段,我们希望可透过设计和组装的过程,来学习和机器人相关的知识和技能,并藉此慢慢累积成就感和经验。所以让我们暂时将制作出钢铁人飞行装的伟大计划,推迟到之后几个项目再来执行。
机器人的载具可能是机械手臂、八脚蜘蛛、或是轮车等等。同时也须思考机器人该要如何移动,用双脚、四肢、八爪或是用轮子。
要使用有线控制(电线、网络线)?无线控制(红外线、蓝芽、WIFI、GPRS、无线射频)?还是自主控制?
在完成初步的概念设计以后,接下来就进入挑选所需装置与零件的阶段。需要选用的零件包含:驱动器、动力源、控制板、马达和感知器等等。我们建议刚入门的的玩家,从驱动器开始挑选。例如直流马达、伺服机等。接下来,再选择可以和驱动器搭配的控制板及驱动器控制板,最后是感知器,像是摄影机、测距仪等等装置。
1. 在选择驱动器时,要先确认机器人所需要的规格。像是力量输出、制动方式等。这类讯息可以由网络搜寻,以及从驱动器的规格书上找到。
2. 选用市面上普及的零件。由于在机器人制作的过程中,很常会遇到问题,而普及常用的的零件因为用户多,较容易由网站、社群、坊间书籍或玩家团体中获得支持。
在凑齐了所有需要的零件和装置之后,接下来我们将要把机器人制作出来。这个阶段主要着重在两个部分:机器人的骨架结构设计与制作,以及将所有零件和装置装配起来。
骨架结构的设计与制作看似直觉,却经常是制作机器人过程中最耗时费工的阶段。坊间有各式各样的材料可以选用,一如前文所提的KISS法则,尽量选择易获得、好加工又具有一定刚性的材料来制作结构体,像是瓦楞纸、木材、金属薄板或是3D打印等。如果可以,好好地应用3D绘图软件来协助设计,它可以帮助我们更直觉的看到最终成品的外观,也同时能够省下许多尝试错误的时间。
由于是入门机器人制作,这里暂时先不把工业产品设计的程序考虑进来,也就是「将脑中的雏型概念可视化、制图、制作样品,直到最终完成成品」这样的一个流程。同时,机器人的外观,在现阶段也先不用太过在意。
最后一个步骤,也是为机器人开光点眼、注入灵魂的关键步骤,就是将程序烧入机器人的芯片中。在完成这个步骤之前的机器人,我们只可以将它视为一台昂贵的玩具。要能完成这个步骤,有需要具备另一大块的技术能力——对机器人控制的知识,还有计算机程序编写的技能。这部分的知识可以从网站、社群和书籍中获得;市售的控制板一般也会提供人机软件接口,供开发者使用。
上述的机器人制作步骤,是我们依据过去开发机器人的经验,并汇整其他玩家前辈心得所做出来的建议。相信您在成功完成了几次机器人的制作后,也会琢磨出一套最适合自己的机器人设计及制作流程。
然而,这些步骤流程无论看起来多么的言之有物,目的都是希望能协助我们更加顺利、更有效率的完成机器人的制作。所以最后、最终极,也是重要的步骤,就是马上拿出白纸,开始着手规画你的机器人!
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