2019年8月20日 星期二

[Tech] 廢材車之廢等級

廢材車之廢等級


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Aug. 20, 2019
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一台能自動駕駛的無人車需要有什麼樣的零件與技術呢?
再把問題簡化一點:一台自走車要怎麼設計呢?
一般而言,自走車(以下本文就以車子來稱呼)可被歸類為機器人(robots)的一種,簡稱為輪軸型機器人。它包含造形功能設計

大哉問

在開始造車之前,讀者們可先試著想想以下的各個問題:
  1. 車子為什麼會
  2. 它的動力來源為何?
  3. 車子結構組成的基本零件為何?
  4. 車子的運動方向(前進、後退、左轉、右轉、平移…)要如何控制?
  5. 金龜車、跑車、水泥車…要怎麼做?

到底要多廢?

根據廢材的運用程度,我們將之分為大、中、小三級:

大廢車 就功能面來說,一台最簡單的車體至少會有車底板提供馬達馬達控制電路(或控制板)的支撐結構,並接電源帶動馬達轉動輪子使車體運動。因此,這種使用最少必要零件(其餘都可以使用廢材來完成,例如:瓦楞紙板、保特瓶、易開罐…)的車子就構成了一台大廢車 [2]。其中,需使用L298 IC(Integrated Circuit,積體電路)來封裝H橋(H bridge)電晶體(transistor)放大電路)來推動馬達運轉。大廢車的材料清單(材料包訂購請用手機掃瞄這個QR碼如下:

品名 數量 單位
Micro:bit主板 1
USB傳輸線 1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固) 1
L298 IC [3] 1
麵包板 [4] 1
單心線 1
3號三只電池盒(有蓋、開關) 1
魔鬼氈 2
  • 美術工具:剪刀、美工刀、油性筆、鐵尺、切割墊、鉛筆、壓克力原料、水彩筆、束帶、螺絲起子、熱熔膠、熱熔膠槍…。
  • 電子工具:尖嘴夾、斜口鉗、剝線鉗(選配)。
  • 廢材:瓦楞紙。
在這裡,我們列舉若干作品來佐證相關的教學成果:
  1. 脫皮車:
  2. Walle 2.0:
  3. 螺旋槳車: 
  4. 機器人:
  5. 史派客小基地:
  6. 荒野機器車:
  7. 坦克:

中廢車 將大廢車中的控制IC改為馬達擴充板KSB037。下表為中車的材料清單。其中,各項工具及材料包訂購如大廢車所列

品名數量單位
Micro:bit主板1
USB傳輸線1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固)1
KSB037馬達擴充板1
3號三只電池盒(有蓋、開關)1
魔鬼氈2

小廢車 除了馬達電路控制可選擇最原始的電路形式或整體封裝好的IC外,在市面上也有現成的輪組件(下表藍字)可購買 [5]
購買現成材料的好處是減少手作時間,以求快速組裝當然,成本也是較高。所以,我們將之稱為小廢車 [6]

品名 數量 單位
Micro:bit主板 1
USB傳輸線 1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固) 1
KSB037馬達擴充板 1
3號三只電池盒(有蓋、開關) 1
魔鬼氈 2
萬向輪 1
輪子 2
M3螺絲 1
M3螺帽 1

要幾輪才夠?

上一節我們談到了車子的控制(馬達IC控制電路或擴充板)和輪子(買現成或用廢材作)設計。本節我們再來談談一台車要幾個輪子?
當我們讓學生們設計自己的車子時,各位看官猜一猜,十張設計稿裡會有幾成是畫成四顆輪子的呢?我們大膽的猜測至少會有七成以上的同質性吧?Why?因此,從一輪到多輪,我們一一列舉出現有的相關商品。
  1. 獨輪車不能跑嗎?請看看這台在街頭上偶然會看見的電動獨輪車。請留意,一般而言,單輪的車子只能前進與後退,它是無法轉彎的喔!
  2. 兩輪車站的起來嗎?請看看這台二輪平衡車的小短片。在這裡,兩個輪子各自由一顆馬達來驅動。因此,控制兩馬達的速度差就能讓車子左、右轉彎了。
  3. 三輪車跑得快,上面一定要坐老太太嗎?這段影片是一般我們常見的三輪車另外,三輪車一定是一前輪兩後輪嗎?看看這段影片中的設計
  4. 四輪車應該是四平八穩,不用考慮車體平衡的問題了吧?可是車子要前(輪)驅(動)、後驅,還是前後驅呢?
  5. 車子可以裝五個(含)以上的輪子嗎?這段影片將為我們展示一款多輪車的設計
  6. 世界上的多輪車最多有顆輪子呢?這部影片中將為我們解答

車子的反思

在Google圖片搜尋自走車,再取樣前100張。是不是會有種怎麼都有車體而沒車殼國王的新車之感呢?為什麼會這樣?
以筆者橫跨EE、CS和教育三領域來看,車子設計的難度包含有軟體硬體兩項專業──軟體方面,除了程式語言(programming languages)的學習外,還包括將車子運動對應到馬達的控制的抽象轉具象轉換(transform)過程。
至於硬體電路方面,從基本的電晶體放大電路、積體電路到微處理器(micro controller)介面控制(peripheral control),以及麵包板接線、洞洞板焊線,乃至PCB洗電路板。這些需要反覆練習的硬功夫不是一蹴可及的。(若對電學、電子電路有興趣的讀者,強烈推薦精研曹齊平老師自製的科學魔法車之大小車系列。根據英國BBC報導,某印度裔青年透過自學這台MIT的魔法車而發明了全世界最小的人造衛星!)

結語

科技的進步促成初學者的入門門檻變低。而這個低標並非技術變簡單,而是將科技穩藏(tech hiding)之下,儼然已逐步做到防呆之效。
然而,科技教育不變的本質仍是以人為體科技為用。在教育現場對於車子的教學,應回歸到的教育思考上──男女生的喜好本就不同(女生通常都不愛冰冷冷的機械、科技,車子亦然)、車子教完後就開始了競速賽的濫觴了嗎?…

参考資料
  1. 六種授權條款
  2. 所有材料、零件,能徒手手作就不買現成的。
  3. L298是由兩組達靈頓對(Darlington pair)電晶體放大電路組成的H橋架構,可控制兩顆TT馬達的轉速(speed)與順/逆轉轉向(direction)
  4. 電路三形:麵包板實驗電路、洞洞板焊接電路、印刷電路(Printed Circuit Board,PCB)
  5. 知識要學到下2-3層的基本原理比較有機會應用。
  6. 能花錢買到的材料就不手作。

2019年7月31日 星期三

[Thinking] 小黃大哥的智慧

小黃大哥的智慧


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Jul. 31, 2019
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一早坐在前往北車趕搭高鐵南下研習的小黃車上。開車的穩匠大哥是退休後為了「防呆」才出來跑車的。
一路上,他和我說了一個他橫跨三個世代的生活觀察:機器人會不會取代人類的工作呢?
小時候,我阿爸是在電信局當電報邮務士,專門替客人打的電報接通伝送線路。
因為電報是專屬線路,發一則電報的价格很貴,是以字計酬的。所以,除非有啥緊急的事件,不然一般人不會隨便就拍電報。
我阿爸每天就朝九晚五,日復一日过著穩定的生活。
後來,家家戶戶有了電話,人們相互連繋也都用電話處理。再也沒有人打電報了。
然後,每個人都配載了手機,有事沒空從口袋一掏就可以聯絡事情。
這幾十年這樣过去了,從我阿爸朝九晚五的電報工作,到現在人手一機的光景,工作有變少嗎?並沒有。工作职缺的內容不減、反增,出現了一堆以前連聽到不曾聽过、想都不曾想到的新頭銜。
再加上一些網路提供的免費通訊軟体,不但是一天到晚賴來賴去,連下了班,老板还會伝訊來交待明天的工作、客戶會賴來查詢訂單的進度…。
所以,機器人世代的來臨,工作不會變少,但工作時數和工作量增加是在所難免了。您覺得呢?

PS 臉書本文

参考資料
  1. 六種授權條款

2019年7月4日 星期四

[Education] 教育不可承受之重?

教育不可承受之重?


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July 4, 2019
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小A是個賴床大王,平時上課若不是爸媽三催四請,包准他必定榮登「年度遅到大王宝座」。
這學期學校有一個自費的一週「泥轟教育旅行」主題課程,小A對這個課程的內容很感興趣。在力排家庭眾議下,他也報了名。
第一天,小A和同团的同年級同學們一路浩浩蕩蕩的來到泥轟国。晚奌名時,帶团老師特別叮嚀,明早08:00在飯店大廳集合。
第二天一早,少了平日爸媽的「煎魚」(翻面繼續睡),果然他更好睡,連早歺都沒吃地一路睡到破錶。誏大夥足足多等了十幾分鐘。
那第三天呢?想當然耳,他怎會輕易放过和周公的幽會呢~。
為了小A一而再再而三的遲到行徑,那天晚上老師們和校長跨洋開會商議对策,校長提出了一個誏老師們都十分震撼的提議:當晚晚奌名時請老師當眾宣佈明日集合時間,並特別強調準點開車不等人。遲到的同學就請自行前往參訪學校。
嘿嘿,看官們覺得這招对小A有效嗎?
No,沒聽过睡覺皇帝大嗎?
這這…那帶团的老師真的會放生嗎?

後記1:教育有時就得用一奌強勁的手腕才能力捥狂瀾!
那天,針对校長大砲式的提議,老師們再三研商。最後為了教育目的,甘冒「被告」(聽說1999很好打)的風險,就賭一次這個專為小A設計的「放生學習計畫」!
結果呢?…大成功,小A不但在接下來的幾天都能準時到大廳集合。回國後,他老爸老媽还特定跑來學校追問到底小A這趟的教育旅行是發生了什麼大事。從此後,他上學在也不用人叫了~。
後記2:帶团的老師在結案報告中有段「血汗」的陳述:那天同行的四位老師,还特別針对校長的「放生指示」緊急開會討論,最後是2:2平票。所以,整個會議就這樣僵持不下了快半小時。最後,總領隊老師提出了一個緩兵之計:放生計畫照舊執行,但他留在飯店躲起來監控小A的後續反應。───這才誏老師們放下中的大石頭。

後記3:本文同步發表於筆者臉書

参考資料
  1. 六種授權條款

2019年6月15日 星期六

[Micro:bit] 蒸汽彼特(STEAM on Micro:bit)之創意發明王養成班教材II──主題4:小彼特賣東西

蒸汽彼特(STEAM on Micro:bit)

之創意發明王養成班教材II

主題4:小彼特賣東西


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Jun. 15, 2019
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難易度

★★


主題

路上夾娃娃店一家一家的開,腦筋動的快的小彼特馬上變型成快樂販賣機,賣給大家天天都滿滿的開心,happy啦~。

任務

觀察生活週遭的自動販賣機台,並試著用小彼特也來複刻一台吧!
使用TT減速馬達電控螺旋引擎機構導電原理來摸擬自動販賣機的投幣與供貨的機制

材料

品名 數量 單位
TT減速馬達 1
PP 1
20號白鐵線 1
氣球座 1
KSB037馬達擴充板 1
3號電池 3
3號電池盒(有蓋、開關) 1
銅片 1
杜邦線(公母30CM) 2
魔鬼氈 1
  • 共用工具組:剪刀、美工刀、油性筆、透明膠帶、雙面膠、膠水、白膠、鐵尺、切割墊…若干。 
  • 歡迎洽詢相關材料包訂購(手機加Line:https://line.me/R/ti/g/U7UpPtBc0j)。

造形設計

簡易販賣機可以分成三大部份:螺旋引擎投幣機台

功能設計

每樣商品十元整。從投幣孔投入十元硬幣後立即轉動旋轉引擎掉出購買之商品。
  1. 硬体接線路:
    1. 螺旋引擎:
      1. 使KSB037馬達擴充板接線:
      2. 使用L298馬達驅動模組接線[2]:
    2. 投幣機制:P8和+3V
  2. 電控程式:
    1. 基本款:按A時轉動,按B時停止。
    2. 完整款(KSB037):投入十元後被P1接腳感應到,隨即啟動接在P12和P2上的TT馬達去帶動螺旋引擎,使得商品掉出。
    3. 完整款(L298):投入十元後按A隨即啟動接在P1和P2上的TT馬達去帶動螺旋引擎,使得商品掉出。

教學活動設計

  1. 電控程式要調成誏販賣的商品每次都只會剛好掉出一包會有啥訣竅呢?
  2. 觀察真實販賣機的螺旋引擎,有發現它和您的作品有何異同嗎?

延伸學習


積木指标

Basic、Input、Loops、Logic、Pins


編程指标

循序結構(sequence structure)、重覆結構(repetition structure)选擇結構(selection structure)非同步事件處理(asynchronous event handling)


硬体指标

按扭、伺服馬達、電池盒組。

STEAM指標

TEAM。


和108課綱的对照

      • 科技領域核心素養:科-J-B2 理解資訊與科技的基本原理,具備科技、資訊、媒體的應用能力,並能分析人與科技、資訊、媒體的互動關係。
        • 科技領域/資訊科技學習重點
          • 學習表現:資c-IV-1 能熟悉資訊科技共創工具的使用方法。
          • 學習內容:資S-IV-2 系統平台之組成架構與基本運作原理。

              2019年6月2日 星期日

              [Micro:bit] 什麼是小彼特(Micro:bit)?

              什麼是小彼特(Micro:bit)?


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              June 2, 2019
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              2016年,英國國家廣播公司BBC聯合世界上26個著名組織共同參與設計了一款比名片來迷你的口袋型電腦要免費發給他們一百萬個11歲的小朋友來一同學習編程。一年後,該計畫由Micro:bit教育基金會(https://microbit.org/)接手,開始在全世界5x個國家如萬馬奔騰般的推展開來。

              在台灣,經由香港課室(CLASSROOM)集團Waris Candra總經理(現任Micro:bit教育基金會亞洲區總裁,https://microbit.org/about/)協同水立方工作室創辦人林宏哲先生、政大應數Soobi計畫(https://www.facebook.com/soobi.org/)主持人曾正男教授與臉書社團麥克樂彼特(Micro:bit)太好玩社(https://www.facebook.com/groups/1958667900816453/)Ted Lee社長共邀Micro:bit 教育基金會先後兩任CEO Zach Shelby和Gareth Stockdale來臺訪問。在全世界各國當中,台灣在Micro:bit的官方開發網站Make Code的流量已由2017年的頭四強,到2018年快速躍昇至第三。由此足見我們過去二年的辛勤耕耘正逐步地在擴大影嚮力。

              参考資料
              1. 六種授權條款

              2019年4月29日 星期一

              [Micro:bit] 有一種作品叫老師要我這樣作的


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              Apr. 29, 2019
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              繞了一大圈在北海灣的某個城市遇到了學員的媽媽。聊著聊著她突然冒出一句話:「孩子說他不想再往現在專班的這個領域走。原因是校內老師不尊重他作為創作第一作者的想法,一直要他把作品改成老師自以為好的方式…。」
              這讓我想起我們另一個班的小魚,他每次都用最快的速度把進度作完。我們建議他可以再加xxx功能,他老是搖頭say no。
              後來,我們把心放寬了---陪著學員一起找答案。
              Me:「小魚,你把基本功能完成了,真棒!要不要加個xxx功能呢?」
              小羽:「不要。」
              Me就去旁邊繞了一圈再回頭來問他:「那用這個yyy呢?」
              小羽再次搖搖頭,而我們又再次啟動漂移模式往下一位學員那兒漂。
              接著,我們想到了zzz,就漂回來問他:「你想到可加以加點什麼了嗎?」
              小羽還是搖著頭。但說時遲,那時快,我們立馬說出:「那要不要試試zzz?。
              這時小羽停了一會兒,然後有點遲疑的點點頭說好。
              創作就是要有獨創性,如果學員都照著教導者的意志去修改,那也只不過是有一種作品叫老師要我這樣作的…。



                    参考資料
                    1. 六種授權條款

                    2019年3月29日 星期五

                    [Micro:bit] 蒸汽彼特(STEAM on Micro:bit)之創意發明王養成班教材II──主題3:小彼特体感控遙控器

                    蒸汽彼特(STEAM on Micro:bit)

                    之創意發明王養成班教材II

                    主題3:小彼特体感控遙控器


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                    Mar. 29, 2019
                    88x31.png[1]

                    難易度

                    ★★★☆☆


                    主題


                    體感控制(motion control)是使用人類身体的觸感來操控週編的的裝置(devices)。小彼特透過無線電廣播(radio broadcast)和板載的11種手勢(gestures[2](上、下、左、右傾,面上、面下,大小力)偵測就能達成無線控制的效果。而我們可以拿它來控車、控灯(卡路里大作战)、控機器人控機器手臂

                    任務

                    小彼特身怀絕技,光靠一招半式就可以勇闖江湖喔!
                    兩塊小彼特廣播遙控灯條、馬達…

                    材料



                    造形設計

                    本單元可以讓小彼特遙控灯條(strip)、灯板、馬達…等電子元件動作。因此,我們可以體感西洋劍為題,設計兩劍士對決的場景,當遙控端有控制信號傳過來時兩劍士就開始比畫、比畫。

                    功能設計

                    使用兩塊小彼特A、B,A板板為發送(transmiting)端,負責擷取使用者的手勢信號;B板板為接收(receiving)端,負責接收A傳送的廣播指令來控制劍士動作。
                    1. 体感的三种玩法。
                    2. 伺服馬達的控制。
                    3. 控灯


                    教學活動設計

                    1. 將傳送端作成穿戴式裝置,例如:手錶、手環…。搭配身体的活動來控制劍士的出招次數。

                    延伸學習

                    1. 拳撃機器人 像這樣
                    2. 體感(motion control) 九軸感測器
                    3. 人機互動

                    積木指标

                    Basic、Input、Loops、Logic、Pins


                    編程指标

                    循序結構(sequence structure)、重覆結構(repetition structure)选擇結構(selection structure)非同步事件處理(asynchronous event handling)


                    硬体指标

                    按扭、伺服馬達、電池盒組。

                    STEAM指標

                    TEAM。


                    和108課綱的对照

                        • 科技領域核心素養:科-J-B2 理解資訊與科技的基本原理,具備科技、資訊、媒體的應用能力,並能分析人與科技、資訊、媒體的互動關係。
                          • 科技領域/資訊科技學習重點
                            • 學習表現:資c-IV-1 能熟悉資訊科技共創工具的使用方法。
                            • 學習內容:資S-IV-2 系統平台之組成架構與基本運作原理。

                                参考資料
                                1. 六種授權條款