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輕鬆使用Android裝置控制樂高機器人:單點觸控

馥林文化_96
・2012/06/26 ・2024字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

文/曾吉弘(CAVE教育團隊

暑假何處去?一起來玩機器人吧!本期CAVE的App Inventor機器人專欄要教您如何利用Android手機的觸碰面板來控制樂高機器人,控制起來超順暢。快亮出您的手機和手指吧!本次範例首先透過atan反正切函數將觸控點座標推算回與X軸夾角之後,再分別使用sin與cos函數轉換為左右馬達電力,您可清楚體驗不同的手指位置對於機器人動作的影響。

首先請把NXT 機器人準備好( 圖1),並將左側馬達接在NXT 的輸出端B ,右側則是輸出端C(註1)。請確認NXT 主機的藍牙是啟動的,接著將NXT 主機與Android 手機進行藍牙配對(註2),完成之後就可以把機器人放到一邊了,啟動藍牙之後你可以從NXT 主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

圖1  樂高NXT 機器人組裝範例。

接下來依序介紹程式的各個功能:

STEP1:

首次進入程式的畫面如圖2a , 你可以看到只有 「NXT 裝置清單/ 連線」按鈕可以按,「斷線」按鈕則無法按下。點選「連線」按鈕後進入藍牙裝置清單(圖2),連線成功就可以看到黃色的觸控面板出現了。

圖2 程式首次執行的畫面→點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單→連線成功後出現觸控面板

STEP2:

接著是將ListPickerConnect 清單指定為藍牙配對裝置清單( 圖3), 點選「連線」按鈕之後, 會進入Android 裝置的藍牙連線清單(圖2),請找到剛剛配對完成的NXT 主機名稱(本範例為abc),點選之後就會由Android 裝置對NXT 主機發起藍牙連線。

圖3  ListPickerConnect 清單內容指定為藍牙配對裝置清單。

STEP3:

本次程式的關鍵在於Animation 的ImageSprite 動畫精靈元件。它可根據我們手指頭拖拉而移動,也可以根據手機上Orientation sensor 的傾斜狀況來移動。或者可自行設定它的速度(speed)與指向(heading)欄位

來完成一個打磚塊遊戲(註3)。

如果要用手指頭拉動Imagesprite元件效果, 需把它放在Canvas 畫布元件中, 接著根據Canvas.Dragged事件回傳的座標來移動它的位置。ImageSprite 可讓你自由上傳圖檔做為其背景圖片, 不過別上傳太大的圖啊, 把畫面占滿就不好玩了。請在ImageSprite 的Picture 欄位點選「Add⋯」按鈕上傳圖片即可(圖4)。

圖4  上傳ImageSprite 背景圖檔。

STEP4:

程式主要執行區在於Canvas.Dragged 拖拉事件。我們分段說明:

1 . 使用Ima g eSp r i t e .Mo v e To 指令,將XY欄位指定為CurrentX與CurrentY,這樣就能用手指拉著可愛的CAVE小圖走。

2. 在標籤Label上顯示XY座標,由於Canvas 的原點位於左上角,所以我們需要平移160像素才能把原點移到畫布中心。除以1.6是轉換成百分比以利後續的馬達電力換算。

3. 接下來是兩個重要的變數X與Y:

• 變數X為觸碰點與X軸的夾角θ 公式為atan(y/x) – 45。atan是反正切函數, 可由y/x反推出夾角θ 。

• 變數Y為觸碰點與螢幕中心的距離,公式為√((x^2) + (y^2))。距離愈遠跑愈快,樂高NXT機器人的馬達電力範圍為100(正向全速旋轉)到-100(反向全速旋轉),數值超過上下限則就限制在100或-100。

4.最後將B馬達電力指定為sin(x)*y,C馬達電力指定為cos(x)*y。

大功告成,擦擦汗吧!

圖5  Canvas.Dragged 拖拉事件,程式主執行區。

STEP5:

按下「停止」按鈕之後,會執行三件事:1. 使ImageSprite 歸位;2. 停下機器人以及3. 將畫面數值歸零。由於ImageSprite 圖案尺寸為30×30像素, 所以我們需將Canvas 畫布尺寸160 再減掉15 得出145 才會使ImageSprite 回到畫面正中間。

STEP6:

按下「斷線」按鈕之後,會中止藍牙連線(BluetoothClient.Disconnect指令),並使按鈕恢復到未連線時的狀態,黃色的觸控面板也看不到了。這時候你可以再次發起連線。

圖6  按下停止按鈕停下機器人並使ImageSprite歸位。

圖7  按下「斷線」按鈕時中斷藍牙連線。

STEP7:

實際執行的時候, 請先確認NXT已經開機且藍牙也啟動了。接著在你的Android 裝置上點選程式畫面中的「連線」按鈕,會進到如圖2a 的藍牙清單畫面,點選NXT 主機名稱連線成功後就會出現觸控面板。快亮出你的手指頭來控制機器人吧。沿著畫面中心上下(Y 軸)拉動手指會讓機器人前進或後退;左右拉動(X 軸)則是原地左右轉。你可以從停止按鈕上的兩個數字看到ImageSprite 的XY 座標。

圖8  手指往左上方拖動時,機器人向左前方前進。/手指往右下方拖動時,機器人向右後方後退。

就本團隊的教學經驗而言,本範例是結合三角函數的絕佳範例。在筆者高中時期,三角函數只是生硬的公式,不過就是背背sin2θ 與sinθ 之間的關係式,無法有實際的應用。但在機器人領域中,三角函數是相當重要的技巧,可讓機器人用來定位、推算方位角等等。相信你在練習過本範例之後,對於三角函數的應用以及角度與數值之間的關係都會非常清楚唷!

圖9 座標示意圖

本程式可直接由Google Play 下載,請在GooglePlay 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到了,或掃描以下的QRCode 也可以唷!

註1: 機器人運動方向有可能因為車頭指向而和程式設定相反,只要將左右馬達電線互換即可。

註2:將Android 手機設定為可安裝非Market 下載的程式以及讓手機與樂高NXT 主機連線等說明請參考:http://www.appinventor.tw。

註3:打磚塊遊戲請由http://www.appinventor.tw 下載。

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2012/7月號

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馥林文化_96
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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》