系統整合 V2
方煒 台大生機系教授
林宸平、嚴天斈 同學
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
•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
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• Data Information Knowledge
• 數據 資料 知識
• 分析、整理
•消化、吸收
•賦予意義
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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)。
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夜視系統則使用紅
外線感測器 停車輔助系統使用超音波
死角偵測
行人偵測 使用超音波
疲勞偵測
車道偏離警告系統使用 適應性定速控制
CMOS影像感測器 通常使用雷達
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感測器無所不在
只會更多、更小、更便宜
國立台灣大學生物產業機電工程學系
Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU
Top Viw of Tmote Sky (130 US$)
4 sensors
on board
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溫、溼度感測器 (SHT11, Sensirion AG ,
Switzerland )
CMOS 製程
整合溫度、溼度感測器於同一模組
12bits ADC Converter in Humidity sensor
溼度量測範圍可達0-100% RH，誤差在3% RH
14bits 的ADC Converter in Temperature sensor
溫度量測範圍在-40~123.8°C 下量測，
在25 °C下溫度量測方面誤差在±0.4°C
反應時間小，低耗電
溫溼度精確度曲線
(摘自SHT series datasheet)
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光量感測器 (S1087 Series, Hamamatsu, Japan)
TSR 總光量感測器 (S1087-01)
PAR 光合作用光感測器 (S1087)
可同時量測全光譜及光合作用有效光
其工作溫度範圍在-10~60oC
S1087系列光感測器的光敏感度比較圖
摘自S1087 series datasheet
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XCTC - Exportable Combat
Training Capability
• Equipped with GPS to provide location outdoors and ultrasonic transducers
to approximate location indoors, the system allows team leaders to monitor their
squads movements and reactions to different scenarios as their location is
communicated to the beacons set up throughout the training facilities.
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SBT80 plugged into TelosB Mote
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Top View of SBT80 (179.99 US$)
2. 可見光感測器 5. 雙軸磁力計
1. 近紅外光感測器
6 sensors
on board
3. 聲音感測器
4. 溫度感測器
6. 雙軸加速度計
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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
波長與敏感度關係圖
(摘自PDB-C139F-ND datasheet)
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2. 可見光感測器 (BPW21R, VISHAY, USA)
矽的光電二極體
可量測波段在330nm~720nm
高靈敏度
(摘自BPW21R datasheet)
波長與敏感度關係圖 14
3. 聲音感測器 (EM6050P-423, Horn, China)
高靈敏度、全方位收音
運作溫度範圍在 -10~45oC、濕度範圍小於85%
頻率響應曲線圖 (摘自EM6050P-423 datasheet) 15
4. 溫度感測器 (MAX6612MXK, Maxim, USA)
25oC下，溫度量測誤差是±1.2oC
量測範圍：-55 ~ +150oC
低電壓、低耗電、高解析度(0.5 oC/V)
電壓與溫度關係圖
(摘自MAX6612MXK datasheet)
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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)
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6. 二軸加速度計 (MMA6260Q, Freescale, USA)
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
摘自MMA626XQ series datasheet 18
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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
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系統整合範例
國立台灣大學生物產業機電工程學系
Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU
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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Tasting robot, Optical-tongue robot
(EXPO 2005, 愛知, 日本)
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
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內含 近場紅外線分光光度計
Field IR Spectrometer
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Optical Tongue 光學舌頭
UV Vis NIR MIR
1.5 0.2
Absorbance Units
Absorbance Units
1.0
0.1
0.5
0.0 0.0
300 400 500 600 700 800 1800 1600 14001200 1000 800
wavelength [nm] wavenumber [cm-1]
Electronic transitions Vibrational transitions
low information content high information content
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Prototype Robot Exhibition (EXPO 2005, Aichi, Japan)
6/18-6/23 Newspaper：5, Magazine：2, Web（Local）：16, Web（World）：14
Demonstration
ＭＳＮＢＣ
ＣＮＮ
“ This is surprisingly
(for me, anyway) accurate “
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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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新保2號
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攜帶
Packbot的
美軍士兵
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魔爪步裝機器人
Sword
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RS Media
Roboraptor
機器雷霸龍
國立台灣大學生物產業機電工程學系
Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU
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
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機械雷霸龍遙控器 頭右轉/
獵食鍵
頭轉一圈
/防衛鍵
尾朝右/
四方行進 DEMO/ 遊戲鍵
尾朝左/
選擇鍵 漫遊鍵 覓食鍵
頭左轉
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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
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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。
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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
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各部位感應器
紅外線視覺
感應器
聲音感
應器
嘴內接觸 下顎接觸感
感應器 應器
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接觸感應器
尾部接
觸感應
器
嘴內接
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。
下顎接
觸感應
器 56
聲音及紅外線感應器
• 聲音感應器
紅外線
在停止活動與不發出聲
視訊感 響的狀態下，可感應來自
應器 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
聲音感 可用來迴避障礙物。
應器
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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
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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。
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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
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史賓機器人官方網頁
第一代史賓四種不同性格
互動螢幕
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第一代遙控器
手臂控制鍵
個性切換
聽覺 視覺
行走方向鍵 動作選擇鍵
拍照
模式切換鍵 DEMO鍵
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第二代遙控器
八方位
搖桿
雷射定 左右手臂控制
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
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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
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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。
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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
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• 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
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• 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
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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。
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• 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
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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。
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動作指令可程式化
USB線插槽
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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。
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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。
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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。
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示範
國立台灣大學生物產業機電工程學系
Dept. of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, NTU