玩機器人能夠學到什麼？

咱們今天將由玩家的角度出發，來聊聊能夠由玩機器人身上學習到哪些知識。

當咱們建造一隻機器人，並讓它能順利依咱們的要求，完成該負責的工做：接收環境訊息、判斷決策並作出相對應的動做，不算是一件容易的事。這須要高度整合各領域的技術，包括工程（機械、電子、電機、計算機、仿生）、理學（數學和物理）和藝術（美學）等等。若是更進一步思考機器人和人類和天然環境間的互動，那麼連心理和社會科學等知識，也會被涵蓋在這個範圍內。

固然，在短短的一篇文章中，很難詳細介紹所有的內容。所以，咱們將由組裝過程當中會接觸到的工程知識開始提及，這至少包含：機械、電子、電機、計算機和仿生各領域的知識。

1. 機械（機構組裝）

機械領域包含範圍很廣，像是：外觀設計、結構設計、3D繪圖、零件製做、手工具的使用等等，均可以歸類在這個範圍內。其中「機構組裝」一般是咱們在學習機器人時，最先期會接觸到的領域。

以組裝DIY套件爲例，使用者首先面臨的挑戰就是機構的組裝。多自由度的機器人使用的零件配件可能很是多，再加上常會遇到結構件的尺寸或對位不必定精準的情況，可能出現干涉或是尺寸有些微差別等問題。

組裝經常使用的手工具

所以咱們會須要使用手工具和簡易的工具機加工，來修正這些零組件。而在安裝過程當中，咱們也經常須要對配件的位置作微調，甚至從新安排配重。固然像是鎖螺絲、去毛邊、擴孔等等的動做，更是必備的基本技能。

正在進行機構組裝的小玩家

2. 電機（電機控制）

電機控制在機器人的學習中，也扮演着重要的角色，其中包含了機器人的電力系統和制動器（伺服機／馬達等）。

「制動器」學術一點的定義是將能量（通常而言，在機器人中大多使用電能）轉換成物理運動的裝置。講白話文，就是可讓機器人動起來的裝置，像是馬達或伺服機。由於機器人每每須要執行各式各樣的動做，所以，要爲機器人選擇正確的制動器，除了需瞭解坊間有那些裝置可應用以外，還須要機器人設計師加入一些想象力，以及一些數學和物理的知識。

伺服機示意圖

另一個和電機控制相關的重要部分就是電力系統。像是怎麼供電？須要多少時間充電？使用的電壓電流是多少？以及電池的各類形式等知識，都會在組裝過程當中持續學習、累積。

機器人身上的可動關節，皆由不一樣的伺服機控制

3. 電子（電路串接）

當咱們組裝好機器人的結構和制動器以後，接下來就進入處理電子相關問題的階段。

主控板與電路串接

在決定選用哪一張微控制板、馬達控制板和合適的感知器後，電子相關的問題立刻接踵而來，例如：電路板設計與測試方法？電壓電流？什麼是接腳？接腳功用是甚麼？各式配件要接哪幾只腳？怎麼選擇微處理器？所標註的規格是甚麼意思？甚麼是高電壓／低電壓？模擬及數字及相互轉換？通信協議又是什麼？什麼是UART？SPI？I2C？若是不是電子背景的玩家，在這個階段極可能會被這些問題搞得頭昏腦脹。

4. 計算機 (程序開發)

微控制板不少時候可被視爲一臺小計算機。機器人所經歷的感知、判斷和執行三大步驟，這樣的架構自己就是計算機技術的延伸。其中用來控制機器人的程序代碼，更被視爲機器人的靈魂。程序編寫一般是製做機器人的最後一個步驟，然而若少了這個步驟，機器人將只會是一個精緻而昂貴的模型。

目前坊間有許多程序語言，可用於微控制器的程序編寫，像是：彙編語言、C/C++、JAVA、Python和Processing(Arduino)等等。在選擇微控制器時，必定要特別注意它使用的語言；錯誤的選擇極可能會影響將來機器的程序開發過程的痛苦指數，以及其兼容和擴充性。

另外一方面，就是要特別注意微控制板商所提供的人機編輯接口，由於好的接口能夠節省玩家很是可觀的學習和開發時間。

人機界面示意圖

5. 仿生（仿生運動）

仿生學（Bionics）這個名詞來源於希臘文「Bio」，意思是「生命」，字尾「nic」有「具備……的性質」的意思。仿生學主要是觀察、研究和模擬天然界生物各類特殊本領的一門科學，它着重於瞭解生物的結構和功能原理，並利用這些原理，來研製新的機械和技術，或解決機械技術的難題。

仿生學在機器人中，最常被應用的就是讓機器人移動的方法。爲了讓機器人執行任務，「如何讓機器人本體移動」是一個很是重要的課題。這樣的需求，除了採用機械移動方式，像是輪子或是履帶以外，另外一個廣泛應用的方法，就是師法地球上各種能夠自由移動生物的移動方式。

在天然界中，常見的生物的移動方式，至少包含下列數種：雙足移動（例如：人類、企鵝）、四足移動（狗、豹）、六足移動（昆蟲）、八足移動（蜘蛛）、腹足移動（蛇）、跳耀移動（袋鼠、跳蚤）、飛行（鳥類、昆蟲）、水中移動（魚類、有蹼動物）等等。而最讓人興奮的是，上述全部的移動方式，目前都已經有相關的機器人被實驗室和研究機構開發出來了。

小結

機器人是一門高度整合工程、理學和藝術的科學。咱們在本文中以玩家的角度出發，分享一些可由機器人身上接觸到工程領域（機械、電機、電子、計算機和仿生）的知識。您如果對任何一個領域產生興趣，想要進一步學習，拜網絡科技所賜，隨時均可以在網絡上和社羣論壇中，找到更普遍且更深刻的相關訊息。

做者：阿里哥

原文參考

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0MTg0ODIzNA==&mid=2247484689&idx=3&sn=6f7bb768ef1a8cbc771378de0a51f257&chksm=fb22e2d4cc556bc224c04dfd2a2bc7f07cc8fcb81c1f568ae8e91736de7df37c24e298f38007#rd