计画一机器人专题实作计画

一、 計畫一：機器人專題實作計畫(一) 背景分析 本校的智慧型機器人研發中心自成立以來，除了進行機器人研究外，對於推廣國內機器人教育與使用更是不遺餘力。例如本校機械系每年所開授的機械系統設計課程其傳統即是要求學生們分組做出高水準的機器人。在本校系歷屆的師生努力之下，已建立相當程度的口碑。有鑑於國內外對於機器人研發產業日益重視，若能使技職體系學生也能早日了解機器人系統的組成、動作原理與各式應用，激發他們對此產業的興趣與培養所需的基本知識，除了可以讓高職學生們更進一步了解本校的知名學程之外，更可以大大的累積本國機器人技術的研發能量與未來人材。此計畫乃針對高職學生提供一個初步接觸機器人實作的機會。根據參與師生的迴響與建議，本計畫書預計提出一個針對高職教師為主的種子機器人實作師資培訓課程，希望以一加一大於二母雞帶小雞的方式，藉此不斷培育更多人材教導並鼓勵喜好動手的高職學生們未來有機會能投入機器人產業。(二) 計畫目標 本計畫的主要目標在於使一般高職教師具有指導學生運用機電整合、程式設計、與基礎控制觀念完成機器人專題的製作。授課教師首先將講授機器人必備的各種元件與基礎知識，並採用樂高(LEGO)公司所提供的NXT MINDSTORM 8257機器人設計模組作為教具，講授機器人程式設計的概念與上機實作，並分享授課教師指導學生機器人實作的經驗，以達到教學相長之目標。(三) 具體內容及配套措施1. 參與學校：策略聯盟合作單位：本校策略聯盟合作學校之機械、電機科教師為配合主軸。2. 活動規劃：本活動以強化高職學生拓展機器人領域知識，增進專業技術能力為主軸。教授機器人原理與進階知識、舉辦研習，高職端組成團隊完成專題製作指導、期中與期末報告、成果簡報，並舉辦優秀作品觀摩活動，以充實高職專題製作之內涵及成效。此專題將配合高職端學校的課餘時間進行，分為二至三個月之時間進行。由於此次的授課目標在建立學員活用機器人教具以便未來能獨立指導高職學生進行專題實作，授課教師將要求報名參與學員必需具備基本程式設計基礎，並盡量將員額開放給去年未曾參與過本計畫或去年參與過但對於機器人專題製作有高度熱誠想進一步深入加強的高職教師，以方便此計畫順利推動與進行。本活動的規劃與具體細節可分為下列幾個步驟：(1) 基礎機器人知識的建立：授課教師先以生動有趣的方式先講解各式真實生活中的機器人應用，介紹台科大機械系的研究人員在機器人發展過程中所辦演的角色與任務，講解致動器、感測器、控制、機構設計、程式設計、韌體撰寫等機電整合相關概念使參與者先具備基本的機器人知識；除此之外，授課教師也將針對高職教師學員簡介機器人的進階知知識如正向運動學、反向運動學、工作空間、路徑規劃、分析動態方程式與影像觀念，並搭配授課教師目前執行中國科會計畫案製作機器人實例輔助解說，由淺入深的解說方式使學員了解實現一個真實機器人所需的複雜性與挑戰性。(2) LEGO MINDSTORM NXT 8257機器人教具介紹：介紹NXT 8257機器人與其所附的各式模組。讓學員接觸NXT機器人，確認所有組裝元件組合後可動作無誤(機構部份)後，將指導學員使用教具所附軟體NXT-G初步控制機器人動作、規劃機器人做使用者想要的動作或任務。由於接下來的操作與教學皆需要使用電腦進行教學，將在電算中心上課。研習過程中若有不懂或不清楚的地方，本系(機械系)指導員會隨時加以解答與輔導。此樂高機器人(如圖一所示)製作預計為一人一台，成本為一台一萬二千左右。由於經費與授課教師所能提供資源/助教人數有限，將限制學員參與人數最多為15人。圖 1 LEGO NXT MINDSTORM 8257機器人教具(3) NXT機器人韌體設計：著重於學習使用進階的程式編譯器整合所提供致動器與感測器進行機器人程式設計。授課內容包括有程式編譯器介紹、使用介面操作、變數、迴圈、條件子與判斷式、副函式基本觀念回顧；接著以實際的程式範例引導學員實機操作學習各式感測器使用(共計有觸碰感測器、光感測器、聲音感測器、超音波感測器與角度感測器)與控制馬達速度與位置。同樣的，助教將會隨時在旁提供咨詢與解答，授課教師所編撰之教材與程式範例將可成為參與教師學員未來帶領學生學習機器人的絕佳工具之一。每次授課前授課教師皆會進行簡單的前次上課內容回顧並做解說確保學員能消化吸收。(4) 專題製作方法：在有了將程式燒錄到機器人的實際經驗後，授課教師將讓學員應用NXT機器人所附的周邊模組，親自實際設計組裝機構並驗證所寫程式發展各式各樣有趣的機器人(如圖二所示)。如此將可使學員們充份了解未來在進行指導學生時所可能遭遇的困難並具有幫助學生實際解決問題的能力。(5)執行專題製作: 參與學員將以校為單位組成10組專題製作團隊，專題授課教師將依照目前各校間常見的機器人競賽規則與內容輔助訂定題目(例如：自走車、機器手臂、相撲機器人、表演用機器人等)。過程為提供簡易的程式碼讓學員們上手練習，助教們則在一旁協助程式測試與驗證，學員們經由這樣的過程將可學到如何幫助學生解決專題實際的問題。除此之外，活動期間將固定開放高職學生咨詢實作時間，由助教輔助進行專題實作。(6)專題製作成果展示暨競賽活動: A. 以機器人模型展示及簡報等方式展現製作成果，台科大機械系教師根據報告與實作，以口試評分。為鼓勵優秀作品，將選出前三名頒發獎狀，並將其心得公佈於本計畫網站以供觀摩分享。B. 授課教師分享自行發展的程式碼與實作經驗給所有學員，藉由學員們本身的專題指導經驗與學生學習反應互相分享心得開放討論，如此必能使彼此受益良多，日後更加的全心投入機器人教育。圖 2以NXT模組所製作組成的各式機器人3. 活動行程表表 1 高職教師機器人專題製作輔導過程表課程時間流程內容地點專業知識3小時機器人原理、種類、應用簡介國際大樓教室專業知識3小時機器人進階知識介紹LEGO機器人介紹圖控軟體NXT-G介紹使用與實作專題製作分組電算中心專題製作方法3小時訂定專題題目指導製作方法進行步驟資料文獻蒐集方法專題題目規則與示範國際大樓教室專題製作方法3小時內容回顧與問題解答進階程式編譯器與使用操作介紹程式使用語法介紹與上機實作電算