國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU 系統整合 V2 方煒 台大生機系教授 林宸平、嚴天斈 同學.

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1 國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU 系統整合 V2 方煒 台大生機系教授 林宸平、嚴天斈 同學

2 2 感測 人體五官功能的延伸： – 視覺、味覺、聽覺、觸覺、嗅覺 接觸、非接觸式 空間性、時間性

3 3 Data  Information  Knowledge 數據  資料  知識 分析、整理 消化、吸收 賦予意義

4 4 車輛內建感測器 1998 年全世界有 120 萬人因車禍而喪生。 車禍在 1990 年是全球第九大死亡原因，預 計 2020 年會爬升為第三大死亡原因。 ( 世界衛生 組織 ) 世界各地的汽車製造商、零組件供應商和 政府單位不斷努力開發並推廣能夠避免意 外或降低事故嚴重性的主動安全與先進駕 駛輔助系統 (ADAS) 。

5 5 車道偏離警告系統使用 CMOS 影像感測器 夜視系統則使用紅 外線感測器 適應性定速控制 通常使用雷達 停車輔助系統使用超音波 死角偵測 使用超音波 疲勞偵測 行人偵測

6 國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU 感測器無所不在 只會更多、更小、更便宜

7 7 Top Viw of Tmote Sky (130 US$) 4 sensors on board

8 8 溫 、 溼度感測器 (SHT11, Sensirion AG, Switzerland ) CMOS 製程 整合溫度、溼度感測器於同一模組 12bits ADC Converter in Humidity sensor 溼度量測範圍可達 0-100% RH ，誤差在 3% RH 14bits 的 ADC Converter in Temperature sensor 溫度量測範圍在 -40~123.8°C 下量測， 在 25 °C 下溫度量測方面誤差在 ±0.4°C 反應時間小，低耗電 溫溼度精確度曲線 ( 摘自 SHT series datasheet)

9 9 光量感測器 (S1087 Series, Hamamatsu, Japan) TSR 總光量感測器 (S1087-01) PAR 光合作用光感測器 (S1087) 可同時量測全光譜及光合作用有效光 其工作溫度範圍在 -10~60 o C S1087 系列光感測器的光敏感度比較圖 摘自 S1087 series datasheet

10 10 XCTC - Exportable Combat Training Capability Equipped with GPS to provide location outdoors and ultrasonic transducers to approximate location indoors, the system allows team leaders to monitor their squads movements and reactions to different scenarios as their location is communicated to the beacons set up throughout the training facilities.

11 11 SBT80 plugged into TelosB Mote

12 12 Top View of SBT80 (179.99 US$) 6 sensors on board 1. 近紅外光感測器 2. 可見光感測器 3. 聲音感測器 4. 溫度感測器 5. 雙軸磁力計 6. 雙軸加速度計

13 13 1. 近紅外光感測器 (PDB-C139F-ND, Advance Photonix, USA ) 採用了藍光強化的矽材料之光電導管 搭配日光的濾波器 反應速度極佳 量測波段為 700~1100nm ( 摘自 PDB-C139F-ND datasheet) 波長與敏感度關係圖

14 14 2. 可見光感測器 (BPW21R, VISHAY, USA) ( 摘自 BPW21R datasheet) 矽的光電二極體 可量測波段在 330nm~720nm 高靈敏度 波長與敏感度關係圖

15 15 3. 聲音感測器 (EM6050P-423, Horn, China) 頻率響應曲線圖 ( 摘自 EM6050P-423 datasheet) 高靈敏度、全方位收音 運作溫度範圍在 -10~45 o C 、濕度範圍小於 85%

16 16 4. 溫度感測器 (MAX6612MXK, Maxim, USA) 電壓與溫度關係圖 ( 摘自 MAX6612MXK datasheet) 25 o C 下，溫度量測誤差是 ±1.2 o C 量測範圍 ： -55 ~ +150 o C 低電壓 、 低耗電 、 高解析度 (0.5 o C/V)

17 17 5. 二軸磁力計 (HMC1052, Honeywell, USA) 1. 利用 4 個惠斯通電橋量測磁場強度，再將數值微分轉為電壓訊號 2. 可量測範圍在 ±6gauss 3. 具有 120μgauss 的高解析度 4. 運作溫度範圍在 -40 ~125°C 。 接腳配置圖 ( 摘自 HMC105X series datasheet)

18 18 6. 二軸加速度計 (MMA6260Q, Freescale, USA) 摘自 MMA626XQ series datasheet 抗雜訊的功能良好 ， 低功率 高靈敏度，基本的靈敏度值為 800 mV/g 量測加速度範圍為 ±1.5g 平常狀態 (0g) 所量測數據 1600mV 的量值 可運作溫度範圍在 -40~125°C 動態測量時的各軸方向 靜態下，受地心引力作用時的量值

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21 21 智慧型機器人的特色 具有感測器 ( 五官 ) ，處理器（大腦） – 透過感測的資訊，就可以跟處理器內的電腦程式結合（資訊判讀 與決策：電腦或微處理器、微控器、高階的嵌入式微處理器、數 位訊號處理程式的運作） 具有致動器（手、腳、肌肉等） – 可因應環境的變化，因此它的智慧性就可以呈現出來。甚至透過 明辨式的這樣一個技術，它還可以跟人類來做對話，也可以來學 習一些人類日常生活中的類似行為。 具有通訊能力 ( 神經、語言 ) – 可做內部溝通與外部 ( 同儕 ) 溝通 具有自主電源

22 國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU 系統整合範例

23 23 2005 愛知 世界博覽會 機器人展覽區展出五種機器人 1. 讓家居更添安全 2. 讓接待更加便利 3. 讓生活更多驚喜 4. 讓家居更加舒適 5. 讓生命更多呵護

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29 29 Name: Health and Food Advisor Robot Feature: 世界第一台有味覺的機器人 Height: 40 cm Weight: 6 kg Tasting robot, Optical-tongue robot (EXPO 2005, 愛知, 日本 )

30 30 內含 近場紅外線分光光度計 Field IR Spectrometer

31 31 Electronic transitions  low information content Vibrational transitions  high information content Optical Tongue 光學舌頭

32 32 Prototype Robot Exhibition (EXPO 2005, Aichi, Japan) ＭＳＮＢＣ ＣＮ Ｎ Demonstration “ This is surprisingly (for me, anyway) accurate “  6/18-6/23 Newspaper ： 5, Magazine ： 2, Web （ Local ）： 16, Web （ World ）： 14

33 33 2007 電腦應用展 -- 台日機器人 13 家廠商，展出 20 多種機器人 展區分為 – 情境區 – 體驗區 – 產品技術研發及零組件模組區

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37 37 新保 2 號

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43 43 攜帶 Packbot 的 美軍士兵

44 44 Sword 魔爪武裝機器人

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49 國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU RS Media Roboraptor 機器雷霸龍

50 50 機械雷霸龍 遙控器說明 基本功能 作動原理 各部位感應器 各種漫遊情境 探討

51 51 機械雷霸龍遙控器 四方行進 選擇鍵 DEMO/ 漫遊鍵 頭右轉 / 獵食鍵 頭轉一圈 / 防衛鍵 尾朝左 / 覓食鍵 尾朝右 / 遊戲鍵 頭左轉

52 52 基本功能 前進，後退，左轉， 右轉搖控模式 360 度頭部旋轉，左右 尾巴擺動 自動漫遊 配合感測器之自律行 為功能 內建四種互動模式

53 53 作動原理 行進時 – 頭部及尾部先向同一側擺動， – 將重心放在一隻腳上， – 接著再頭尾再向另一側擺動的同時，另一隻腳 同時往前， – 當頭尾完全偏向另一邊時，重心完全落在另外 一隻腳使之著地， – 即完成了跨步的動作。

54 54 作動原理 右彎時 – 頭尾的擺動變成限於中間到右側 – 使得當頭尾偏向中間時因重心並沒有完全放在左腳 – 使得右腳移動時步伐較小 – 左腳移動時重心完全移到右側 – 使得能跨出的步伐較大 – 左右腳步伐的大小的差使得雷霸龍能夠轉彎

55 55 各部位感應器 紅外線視覺 感應器 嘴內接觸 感應器 下顎接觸感 應器 聲音感 應器

56 56 接觸感應器 在不同的情境模式下 觸動時，能夠有不同 的反應形成和人們的 互動。 尾部接 觸感應 器 下顎接 觸感應 器 嘴內接 觸感應 器

57 57 聲音及紅外線感應器 聲音感應器 在停止活動與不發出聲 響的狀態下，可感應來自 前後左右不同方向的聲音 而做出不同反應。 紅外線視訊感應器 可感應到身旁任一側偏 向正前方的移動物體，也 可用來迴避障礙物。 紅外線 視訊感 應器 聲音感 應器

58 58 各種情境模式 漫遊模式 自動探索週遭環境並做出反應 防衛模式 使用視訊及聲音感應器來防衛他的週遭 獵食模式 較為主動的反應模式，會朝向感應到的方向做出反應 警戒模式 較為被動，會以閃避的姿態對感應到的物體做出反應 遊戲模式 會玩耍，撒嬌的做出反應

59 59 探討 雖然在與外部環境互動的過程中，可用視訊感測 器迴避障礙物，但是對於桌緣或較低矮的障礙物 就無法感測，容易發生掉落或是被絆倒的問題。 若是發生被絆倒的行為，只能以人工將他扶起， 機器人並沒有任何機制能夠讓它自行再度站立。 就機械寵物的角度來看，算是另一種既有趣且符 合小男孩夢想的機械寵物。

60 60 史賓機器人 外觀介紹 遙控器簡介 操作模式介紹 感測元件 機構探討 問題討論

61 61 第一代史賓四種不同性格 史賓機器人官方網頁 互動螢幕

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63 63 第一代遙控器 模式切換鍵 行走方向鍵 手臂控制鍵 動作選擇鍵 DEMO 鍵 聽覺視覺 拍照 個性切換

64 64 第二代遙控器 八方位 搖桿 左右手臂控制雷射定 位追蹤 身體轉動控制 若搭配手臂控制鍵則 為手臂動作 動作選擇鍵

65 65 三種模式切換 控制行走模式 – 可做行走、上半身俯仰、站立跟坐臥的控制 手臂動作模式 – 高低位的撿拾、放置與傳遞 – 手臂揮舞 : 劈砍、投擲 – 揮手招呼與推擠 多媒體模式 ( 第二代去除 ) – 攝影、播放音樂、錄音、 Java 遊戲

66 66 行進方式 因為腳部無屈膝的動作，所以無法跨步向前，故需靠 腰部的擺動將重心轉換。當擺盪到最外側時，另一側 的腳便會稍微懸空，而趁此空隙移動腳步。 兩階段速度前進，第二代機器人加大身體的擺動，已 達到加速奔跑。 轉彎時都以向後移動方式，以欲轉向側的另一隻腳為 軸心，轉向側的腳則大步後退已達到轉彎的目的。

67 67 感測元件 紅外線視覺感應 - 兩 區段偵測 近端 15 公分 – 如突然有物體靠近，會即時 後仰閃避 遠端 60 公分 – 追蹤模式

68 68 聲音感測器 – 半徑 90 公分區域的聲 源探測，身體轉向前 進 # 防禦模式下，視覺及聲 音感應器皆會啟動，若 有任何動靜，便產生預 設的自動回應

69 69 手指感應器 : 在抓取指令下，會感應 是否確實達成指令， 若否，則會再重複一 次抓取動作

70 70 第二代機器人 手部障礙感應器 : – 行走時感覺週遭障礙物， 觸動便會停止動作。

71 71 腳步感應器 – 感測前進後退的障礙 物，碰觸後便停止動 作避免跌倒 防傾斜感測器 ( 內部 ) – 若身體過度傾斜，便會 停止一切動作，以避免 翻覆造成損傷

72 72 教育模式 快按兩下腳步感應器，此時可以手動方式 改變身體馬達的位置，機器人會記憶下六 個指定動作，並再按一下腳步感應器後， 自動執行記憶下的動作。

73 73 動作指令可程式化 USB 線插槽

74 74 機構討論 躺下與站立 – 當要躺下時會將腳步前傾，以保持重心平衡。 而髖關節的設計為上寬下窄，下腰時較寬的部 位轉下，將雙腿撐開以避免側翻，也使得重心 更加穩固。背部有兩處凸起以利與地平面接觸。

75 75 機構討論 第二代史賓 奔跑設計 – 重心擺動更大以達到快速前進，但會造成重心 不穩，容易產生傾覆。 手指關節設計 – 比起第一代機器人更能夠確實的抓握物件。

76 76 問題討論 紅外線遙控 : 需面對機器人控制，背面感應 效果不佳，且系統設定為鏡射模式，即機 器人的右邊為左邊，左邊為右邊，所以在 面對機器人的情況下較易操作。第二代史 賓機器人在背面接收器上則有明顯的改善 若機器人以非躺下方式傾倒，一切動作將 停止，便無法再站起來，也無法以手臂動 作將自身撐起。

77 國立台灣大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU 示 範示 範示 範示 範