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輕鬆使用Android 裝置控制樂高機器人:用滑桿控制馬達速度

馥林文化_96
・2013/07/16 ・2702字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文/曾吉弘(CAVE教育團隊

本期專欄將與大家介紹如何使用Slider 滑桿元件來分別控制樂高機器人馬達的轉速與方向。滑桿元件好比是電玩遊戲機的類比搖桿,提供了比按鈕更細緻的操控效果。

樂高NXT 伺服機

樂高公司所生產的馬達種類約有十數種,其中NXT 馬達是輸出扭矩最大也是最有份量的一款馬達,相對地耗電量也是相當驚人。另一方面,NXT馬達是所有樂高馬達中唯一有配置角度感應器的馬達,透過角度感應器我們可以精確指定馬達轉軸之旋轉角度(最低為1 度),甚至經過計算之後可轉換為機器人行走的距離,非常方便。在App Inventor 中是透過NxtDrive元件來控制樂高NXT 馬達,雖然控制功能不如其他程式語言例如C 語言或是LabVIEW 來得豐富,但是基本操作也是相當足夠了。圖1a 是NxtDrive的屬性設定欄位,由於本範例要使用三個Slider 元件分別來控制三個馬達,所以需要三個NxtDrive 元件, 將其DriveMotors 欄位分別設為A、B 與C,代表控制樂高NXT 機器人的A、B 與C 馬達。至於WheelDiameter 代表目前所使用的輪胎直徑, 單位為公分。
在此不必理會此欄位,因為它不會影響到本範例的操作效果,我們會在日後的專欄來介紹如何使用它。

圖1a NxtDrive 的屬性設定欄位。
圖1b NxtDrive 的轉動指令。

開始玩機器人

請把NXT機器人組裝好,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。啟動藍牙之後您可以從NXT主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能:

STEP1 登入畫面:

首次進入程式的畫面如圖2a , 只有「NXT 裝置清單/ 連線」按鈕可以按,其它所有按鈕都無法操作。點選「NXT 裝置清單/ 連線」按鈕後進入藍牙裝置清單(圖2b),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。順利連線成功的話,就可拉動Slider 滑桿元件來控制馬達轉速(圖2c)。

圖2a 程式首次執行的畫面。
圖2b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。
圖2c 連線成功後才可進行相關操作。

 

STEP2 程式初始化:

在點選連線清單之前(ListPickerConnect 的BeforePicking事件), 需先將清單內容指定為Android 裝置上的藍牙配對清單(圖3a)。點選之後則先測試連線是否成功,成功則將「選擇感測器」與「開始唸/ 停止」設為可點選(圖3b)。

圖3a 指定藍牙配對裝置清單。
圖3b 連線成功後啟動相關元件。

STEP3 使用滑桿控制馬達電力:

在設計的想法上,我們希望滑桿拉到最左邊時,馬達電力為-100(全速反轉),拉到最右邊時馬達電力為100(全速正轉),置於中間時電力則為0 ,同時也讓馬達停下來。
由於滑桿元件最小值只能為0 ,因此我們將滑桿的最大值改為200 ,後續運算再減100 就可對應到馬達電力-100~100 的範圍了。至於滑桿的初始位置則設為100 ,即滑桿正中央處。
拉動滑桿時, 會呼叫Slider 的PositionChanged 事件並帶入thumbPosition 參數, 我們就是要用這個參數來控制馬達的電力。在圖4中,我們將滑桿位置thumbPosition_A 減去100 之後四捨五入, 指定為power 變數的內容, 這就是馬達的電力。接著將相關數值顯示於畫面上, 最後呼叫NxtDrive 的MoveForwardIndefinitely 指令並塞入power 變數值就好了。這樣當滑桿位於最右側時,thumbPosition_A 的值為200 ,power 變數值為200-100為100 ,代表馬達正向全速轉動。

圖4 Slider 元件控制馬達轉速。

STEP4 定義副程式:

您應發現了三個Slider 元件做的事情好像大同小異,這時候就可以將這些類似的指令包成一個副程式,不但程式的可讀性變高,日後要修改程式時也更加方便。本範例中宣告一個名為move 的副程式,並可傳入一個參數。當我們拉動SliderA 時,就會傳入一個文字A 給move 副程式。因此的程式可以簡化變成以下的樣子(圖5a):

圖5a 使用副程式架構來改寫Slider 事件。

我們將文字A 傳入move 副程式之後, 就都交給它來處理了。那麼,move 副程式裡面到底發生了什麼事呢? 在move 裡面, 我們會判斷接收到的參數motor 內容是否等於「A」,如果是的話就執行圖5b 的內容, 圖5b 的內容是不是和圖4 是一樣的呢?
那麼另外兩個Slider 事件您應該已經知道怎麼做了,就是分別送出文字「B」與「C」,並在move 副程式中進行對應的判斷與動作(圖5c)。這樣一來我們就能集中管理程式碼了。

圖5b 將原本的Slider_A 事件中指令整合到副程式中。
圖5c 不同的Slider 事件差別在於送出的參數。

STEP5 停止所有馬達並將滑桿歸零:

為了方便起見, 請新增一個按鈕,按下之後會三個Slider 元件的滑桿回復到正中央位置,同時也會將power 變數值歸零,馬達也就停止轉動(圖6)。

圖6 停止所有馬達。

STEP6 斷線:

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(圖7)。

圖7 按下「斷線」按鈕時中斷藍牙連線。

操作

實際執行的時候,請先確認NXT 已經開機且藍牙也啟動了,並將NXT 接上三個馬達( 圖8a、8b、8c)。接著在Android 裝置上點選程式畫面中的「連線」按鈕,會進到藍牙清單畫面,點選您要的NXT 主機名稱並連線成功後,就能拉動滑桿來控制,或按下「停止所有馬達」按鈕來停止馬達。

圖8a A 馬達電力82% 正轉。
圖8b B 馬達電力34% 正轉。
圖8c C 馬達電力46% 反轉。

 

本範例介紹了Slider 滑桿元件,它提供了更細微的控制, 善加利用它,您的機器人會有更多有趣的功能。程式模組化是非常重要的程式開發觀念,希望您可以藉此建立起良好的基礎。

期待您從本期專欄的內容來激盪出更多有趣的火花。請繼續關注CAVE 的機器人專欄唷!

 

歡迎大家由以下連結或掃描以下的QRCode 來下載本程式:

本程式已上架Google play,請到Google Play 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app 了。在App Inventor 中文教學網上直接下載本範例的App Inventor 原始檔與apk 安裝檔。

註1: 想學如何開發App Inventor 程式嗎? 請到AppInventor 中文學習網與我們一同學習。
註2:將Android 手機設定為可安裝非Google Play 下載的程式以及讓手機與樂高NXT 主機連線等說明請參考這裡
註3:與NXT 連線後如果出現[Error 402] 之錯誤訊息請不必理會,程式依然能正確執行。

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/7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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交流電發電機的勾勒起點,發明鬼才與他的大學生活——《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》
PanSci_96
・2020/12/12 ・2484字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

編按:尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla)的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師,然而在他少年時期有次感染了霍亂,被醫生宣判可能回天乏術,特斯拉對父親說:「如果你同意讓我去唸工程科系,我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。

為不讓父親失望,一天只睡四小時

一年的身體調養期結束之後,我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻,在充裕獎學金的資助下,開始我的大學學業,我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜,我的學習底子優於一般學生。

進入大學之前,我已經學會多國語言,也啃讀了不同圖書館的藏書,多多少少汲取了有用的資訊。另外,這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀,所以畫圖再也不會成為我的困擾。

我立志要給父母親一個驚喜,所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷,連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度,我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束,我通過九科考試,教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。

特斯拉在大學第一學年為了給父母親一張榮譽的成績單,拼命讀書。圖/Pexels

我帶著這張獲得褒揚的成績單回家,在短暫休息過後,我滿心期待著能贏得父親的稱讚,但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候,我深感受傷,這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。

但是父親死後,我發現了一疊信件,全是學校教授寄來的,信上說除非父親把我帶離學校,否則我會因為用功過度而沒命,看完後,我悲痛難抑。

大量閱讀與討論,發明構想與科學原理的加成

此後,我全神貫注在物理學、力學和數學上,閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情,一定會有始有終,因此常常給自己招來難題。

有一次,我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作,看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀,令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作!我下定決心一定要全部讀完,但當我放下最後一本伏爾泰的作品時,感到無比暢快,說:「結束了!」

特斯拉開始閱讀伏爾泰的著作後,便下定決心要讀完。圖/柿子文化

我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞,也與他們建立起情誼。包括了:羅格納教授,教授算術和幾何學;包施爾教授,教授理論及實驗物理學;奧勒博士,教授積分,專長在積分方程式,這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展,經常會在下課後留一、二個小時給我,出題讓我解答,我很樂意接受這樣的安排。

我跟他解釋我的飛行器構想,這項發明是建立在合理的科學原理上,不是天馬行空的幻想,我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真,很快就會展現在世人眼前。

羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者:羅格納教授的自我表達方式很奇特,每次都會引起一陣騷動,然後是一段長長的沉默和尷尬;包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人,他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳,但他的實驗都被精準無誤的執行,展現如鎖芯般精密的高超精準技巧,沒有一點閃失。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

在校第二年,學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ,它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵,以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後,這部機器展現了各種不同的電流效應。

包施爾教授在示範時,把它當作馬達在操作,結果電刷出現故障,火花亂竄,我在一旁觀察發現:沒有這些裝置,馬達仍有可能運轉。

包施爾教授宣稱不可能,並且請我就這個主題上臺報告,他最後在做總結時如此說道:「特斯拉先生也許會有了不起的成就,但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力,猶如把重力轉變成旋轉力,這是一個永動機的概念,不可能成功。」

但是,直覺超越知識,當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候,無疑的,我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。

有一段時間,我迫於教授的權威而猶疑不定,但是我很快就相信自己是對的,然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心,擁抱這個不可能的任務。

23 歲的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla),1879年。圖/STORE NORSKE LEKSIKON

首先,我在心中勾勒出一部直流電發電機,使之啟動運轉後,緊盯觀察電樞電流的變化。然後,我會另外想像一部交流電發電機,觀察在相同情況下其運作過程。接下來,我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統,並用各種方式測試其運作情況。

我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實,具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題,直到離校前依舊毫無斬獲,我差一點就要舉白旗投降,宣判這個問題無解。

——本文摘自泛科學2020年12月選書《被消失的科學神人:特斯拉親筆自傳》,柿子文化,2019年01月。
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Gogoro的馬達有比較特別嗎?–馬達技術解密
PanSci_96
・2015/10/18 ・2434字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

source:William Li
source:William Li

「電動車」使用者一直跟行動不便的身障者、從菜市場滿載而歸的老人,或在觀光景點悠閒環湖的遊客劃上等號,只是現在,這種刻版印象應該要改觀了!

有鑑於其緩慢的速度,電動車長期被框架在既定使用模式下,但就在今年夏天,出現了一台不同於以往、甚至可以說是直攻痛處的智慧型電動車-Gogoro。究竟它是如何破解「魔咒」?這台挑戰限制的前驅者,其創新便是來自於它動能的靈魂──馬達:

馬達(又稱為電動機)是一種將電能轉化成機械能、再以機械能產生動能來驅動裝置的電氣設備。那馬達是如何運轉的呢?這要來談談「電」與「磁」之間的微妙關係,如果將指北針放在導線附近並通上電,就會觀察到指針有明顯的偏轉現象,這表示當導線中有電流通過時,其周圍會產生磁場(指受磁力所影響的場域範圍)。當通電的導線放置於以固定磁鐵產生的磁場內時,利用電流磁效應可使導線移動,若電流方向不變就會產生連續的轉動,因而產生動能。透過下圖的示意圖可以理解如何從磁場和電流方向,利用「右手開掌定則」來判斷受力方向。

未命名

知道馬達如何轉動後,該如何讓它的動力提高呢?這取決於「電磁鐵」磁場的強度,那電磁鐵又是什麼?電磁鐵便是以通電來產生磁力的裝置,從「右手安培定則」可以知道,當直流電通過螺旋狀的導體時會產生具有方向性的磁場,若在螺旋線圈中加入磁性物質(如鐵芯),此磁性物質便會被磁化且達到加強磁場的效果。一般來說,磁場的強度和電流大小、線圈匝數和磁性物質的材質有關,電流越強、線圈匝數越多,磁場就會越強,動力也會提高。

未命名

未命名

和一般市面上現有的電動車相較,Gogoro 的馬達產生的動力較高,但體積卻相較小上許多,這顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法,其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。為了解密其中的技術,泛科學專訪了 Gogoro 研究團隊,團隊表示 Gogoro 的馬達原以電腦先行模擬、運算出銅線編織結構,再請經驗老道的師傅手工纏繞,但以普通方法並無法在預期的體積內完成此纏繞模式,「這不是科學上的創新,而是技術上的挑戰。」Gogoro 產品管理經理王光祖語帶堅定的說Gogoro 研發團隊將整顆馬達模組化、切割成 12 等分,並在每等分上以自動化技術用更密集的方式堆疊銅線,「就像小時候玩四驅車一樣,要想辦法在一顆馬達上繞上越多銅線越好。」再以串接技術連接起所有銅線,組裝、固定成完整的馬達。

未命名

馬達在產生動能的過程中也會產生熱能,這時候冷卻系統就很重要了,冷卻系統能夠幫助動力系統在運作過程中達到熱平衡,不讓零件因過熱而損耗,尤其 Gogoro 在馬達體積縮小、維持高功率情況下,會達到發熱密度Gogoro 採用高效率的水冷系統,藉由冷卻液在水流道中循環帶走熱能,再經由散熱器的鰭片和外界的空氣進行熱能交換,以維持冷卻液的溫度。比起傳統水冷系統,這款水冷系統以模組化設計的散熱器配合車體空氣流道,來取代耗電的風扇與過長的水管,讓體積變小、質量更輕,不但提高整體的能源使用效率、導風效果更好,精簡零件避免了維修的風險,模組化設計也易於拆解、清洗。

未命名

除了動力系統本身以外,傳動系統和懸吊系統的配合也會影響馬達的功率輸出。比起需要維持扭力輸出而使變速系統損耗較大的汽油引擎,電動車的馬達只需要通電就能全扭力運轉,而 Gogoro 更是使用了輕量、高張力的碳纖維複合材質傳動皮帶,以及體積小、動力輸出平穩、效率更高的行星齒輪作為減速裝置。且不同於一般電動車將馬達置於後輪附近以利於驅動,Gogoro 則是將馬達置於車架中間,使後輪在行駛過程中所產生的跳動不會影響馬達構造,維持良好的壽命表現。

未命名

根據截自今年8月的統計,台灣的機車數量是約1,400萬輛左右,其中電動車約有3萬輛;每年各家機車廠商賣出約80萬輛燃油機車,電動機車卻不到9千輛。台灣交通環境下,一般人通勤還是以成本和功能為選擇考量,然而 Gogoro 不以車商角度自居,以自行開發設計、台灣製造和智慧化系統為賣點進軍電動機車市場。Gogoro 特製馬達的確給了電動機車彪悍的能耐,但是否能夠帶著 Gogoro 衝破現在環境、價格和使用習慣等挑戰,甚至往「行動能源」、「大數據」等願景前進,是值得關注的下一步。

source:William Li
source:William Li

參考資料:

 

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如何使用樂高測量普朗克常數?
活躍星系核_96
・2014/12/17 ・1861字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

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文 / WaveRiderZETA(某個尚未畢業的爆炎單身菸酒生,不菸不酒,倒是3C的癮頭比較嚴重。)

如果你想要找個完美的禮物送給近乎擁有一切物理學家,何不考慮給他套樂高來測量宇宙的基本常數之一:普朗克常數呢?

普朗克常數是科學中最重要的數字之一。它描述了在被稱為普朗克─愛因斯坦關係的方程的電磁波能量和頻率之間的關係:E=hν。其中,E是能量,ν是頻率和h是普朗克常數。

自1990以來的,普朗克常數因為與其能量單位的關聯性,故成為具有歷史象徵性的一個能量常量單位─但,它不曾被定義與連結到任何一種量測系統校準與標準定義的單位聯想之上。

現在這個情況即將改變。普朗克常數在現在越趨被「設定」的重要,來自於物理學家正試圖改變質量的定義─物理學家們希望它(質量)取決於普朗克常數,而不是依賴一塊藏在巴黎保管庫裡頭的在金屬塊狀體(現在放在巴黎保管庫內的國際千克原器,是一顆人造鉑銥合金塊)。

正因為此,所以科學家必須要收集大量基於普朗克常數的質量數據;或者反過來,從已知質量逆推得到普朗克常數相關的數值。這也就顯得見怪不怪了─而今日,位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的國家標準與技術研究所裡,里昂周(音譯)和幾個快樂的夥伴們,提供並解釋了個好的解決方案:用樂高製作一套製作一套實驗儀器來辦到這個任務。

多年來,物理學家和標準與幾束研究所評估了許多不同量測的方式;最後決定使用一台被人們稱為「瓦特天平器」的機器來進行試驗。

Watt balance

這設備原理上相當簡單。在科學家的點子中,儀器將以質量上所造成的力─物體下墜的重力與由載流線圈所產生的磁場所施予的力達成兩者平衡來加以測試。質量可以通過機械動力(線圈的磁力)進行對照比較─而這樣可以轉換出功率與瓦數,所以,機器就這樣被命名為瓦特天平器,而且兩者可以輕易地被轉換測量而得。

覺得這樣敘述很複雜嗎?那從測量數據的轉換觀點來看吧。這實驗涉及量測如同原理一樣簡單:透過電壓、電流流經線圈的測量(你需要安培與伏特計,不知道是啥去五金行或者電子材料行買吧!)與g,重力加速度的精確數值即可。其中,如果要取得詳盡的重力加速度數值,因為在地球表面上此數字和重力常數息息相關,所以問題很好解決:透過美國國家海洋與大氣管理局網站,簡單的輸入地點,就可以輕易的獲得來自全世界各地的數據。

接下來是個簡單的數學轉換問題了。既然重力施予物體下落產生下拉的力,天平的另一端要以線圈所產生的機械力─擁有SI單位的電功率,也是機械力數據抗衡,那麼兩者可以畫上等號。「透過常規SI電功率轉換出的機械動力對比,就可以求出h。」於是周和快樂的夥伴們得出了這樣的結論。

那麼,有了原理與方式,該是建造儀器的時刻了。周與快樂的夥伴們表示,這台「瓦特天平器/瓦特平衡儀」所需要的零件幾乎大部分可以從樂高的網站「Pick-a-Brick」(選塊磚塊?)中直接選購;而針對比較特殊的專業組建,周他們也同時提供了網購地取得清單。 最近接觸了一款任天堂上面的遊戲《 FRIV 》,深深覺得遊戲能做到這種程度已經不是厲害可以形容了,決定為文好好談談這款遊戲精巧在哪裡。

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要花多少錢?看完圖片與列表之後,你一定會想問這個問題。周與快樂的夥伴們提供了一套基本的套件價格試算:大約總成本可低於634美金─最昂貴的組件是300美金的數據採集器和90美金的模擬輸出器。這兩個都可以透過單一功能性的套件進行替換,成本大約189美金。一來一往,節省200美金絕對讓你能夠負擔得起。

「我們希望鼓勵眾多的科學愛好友打造瓦特平衡器,以從事有趣的科學測量。」周的團隊說。這是他們最發自內心的感想了。隨著年末假日大採購的時刻即將來臨;還在傷腦筋找不到禮物送給他人嗎?瓦特平衡套件將會是送給號稱「擁有一切」的物理學家最佳的伴手禮,絕對沒錯!

備註:

  • 普朗克常數=6.62606957×10-34m2 kg/s。這是一個是一個物理常數,用以描述量子大小。
  • 馬克斯‧普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現:電磁波的發射與吸收必須假設為不連續的狀態且以「份」的方式進行,才能和試驗結果相符。在計算中, 這樣的一份能量被稱作「量子」,每一份能量子等於普朗克常數乘以輻無線電磁波的頻率。這關係稱為普朗克關係,用方程式表示普朗克關係式。
  • 本文不會完全按照內文結構進行翻譯,因為翻成中文很多地方語序不順暢無法形成正常的中文文章,請各位見諒。

資料來源:

活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia