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國廠祥儀科技寶智慧手臂第一篇:機構設計篇

作者:Ted Lee

 

當國產祥儀塑鋼積木手臂添加了威盛(VIA)的 Pixetto(文後皆以 8787 稱之)AI 視覺感測器(vision sensor)(文後皆以智慧手臂稱之)會產生什麼綜效?本系列文章將從機構與機電整合設計兩面向逐一解說這其中的秘辛。

套件學習法

廠商都幫忙把機構、機電整合、電控程式、教材包成懶人包了,剩下的就只是按圖施工(腦袋空空)了嗎?一般而言,知識、技能的學習約莫有兩種方式:由上而下(top down)和由下而上(bottom up),如圖 2所示。其中,因前者已經有了套件典範(paradigm),所以我們比較容易將之拆解(decompose)而學習,但會因結果已知而限制了創意的擴散思考設計。然而,從基礎的各個知識點按部就班依序學習完畢後才將之整合(integrate)而的設計亦是另有一番風景。不過,見樹不見林的盲點容易導致學完新的知識就忘了舊的。

圖 2:兩學習方法論

智慧手臂教學採由上而下方式,將大部頭的知識點逐一拆解至容易理解的各個小塊知識基元,來還原作品設計的各階段歷程,此套件學習法如圖 3 所示。我們期待學員們能以設計師(designer)的視野去綜覽 why、how、……等等緊密的設計思維來欣賞這隻智慧手臂的創造歷程,並經由親手仿作來體驗與學習。

圖 3:套件學習法

仿生

舉起您的手臂活動活動,覺察一下:圖 4 的 1 處關節(joint)可以 360 度運動,2、3 處只能在限定角度下運動,而 4 處可做抓取。

圖 4:人體手臂四關節

圖 5 的智慧手臂設計即是模仿人類的手臂運動,在 1~4 的關節點放上可以帶動的四顆伺服(servo)馬達(SG90 和 MG995)而使得它有四軸(axies)可以在空間中自由的運動。其中,伺服馬達 1 可 0~180 度左右轉動,伺服馬達 2、3 負責控制大、小手臂的上下運動,伺服馬達 4 則控制抓子的開合抓取。

圖 5:智慧手臂四軸

參考設計:MeArm

筆者在約莫數年前即接觸了著名的機器手臂開源(open source)專案 MeArm(https://reurl.cc/oZ1ArV),它是由底盤、大手臂、小手臂和夾子四段所組成(https://reurl.cc/QWLGNZ),

模仿人手動作的秘密在於四個馬達,前方馬達控制爪子的開合;左左兩個馬達用來控制手臂前後伸展及上下移動;安置於下方的馬達是讓整組機身左右旋轉。(https://reurl.cc/gQ212N)

請讀者們自行比較智慧手臂和它運動方式的異同之處。

機構組裝

根據祥儀提供的第一手組裝指引,我們將之轉檔成圖 6 的影片供讀者們參考。我們強烈建議讀者們根據圖 5 所標示的軸編號,依照數字順序組裝時,每裝妥一軸即輕輕(太大力轉動會使伺服馬達齒輪損壞)轉動觀察它們是如何動作的─對比於人的手臂和 MeArm 設計的異同點為何?

圖 6:智慧手臂組裝

開光:智慧視覺感測器(smart vision sensor)

如圖 6 所示的 demo 影片,智慧手臂使用了 8787 內建的顏色偵測(color detection) AI 模型,並實現了有色物件自動追蹤的示例。機電整合及電控程式的分析將以後文詳述之。關於 8787 一系列的介紹文章,可以參考筆者所著的「假 a 真 i(https://reurl.cc/28ZV5a)」專網。

圖 7:有色物件自動追蹤手臂

生活中的機器手臂應用

處在這個科技爆發的時代,我們更期待著新技術能從自動化進入到智慧化,乃至最後可以達到無人化的全新應用領域。像是從工廠自動化、自動物流、智慧工廠,到無人咖啡店,再到藝術創作或是手術機器人,智慧手臂開始有了更進一步的生活應用。然而智慧手臂的設計還是從這些基礎學習開始。因此,不管是由上而下的套件學習法或是由下而上的按部就班學習法,找到自己的學習興趣仍是自我學習的重要任務──喜歡智慧手臂的讀者們,就從這裡開始吧!

翦影

桃園蘆竹五校聯合 AI 教育成果發表會之成果影片請參考以下影片進入觀看。

 

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vMaker編輯部

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