DOl : 1O.6249/SE.2015.66.3.06 收稿日期: 201517/13 修訂日期: 2015/8/3 接受日期: 2015/8/3

結合智慧型手機與機器人之專題

導肉式教學

曾吉弘*博士生

淡江大學電機工程學系

壹、前言

機器人是一鬥跨領域的學科，學生需要理解如何組裝各類元件來搭建機器人硬

體架構、編寫程式來設計機器人如何與機器人互動，也需要不斷根據外在環境來調整

機器人的各類設定使其得以適應。甚者，當修習進階機器人行為控制例如距離方位判

斷、影像辨識與多廠測器互動等議題時，學生需要理解更難一點的多維矩陣運算、控

制方法與數值估測理論等。故此本文在於提出一結合智慧型手機與機器人之學期課程

內容與成效評估，提供有興趣進行此類教學者參考。

貳、課程發想

本課程發想之初衷，在於智慧型手機具備多種高階機器人行為控制的關鍵功能，

例如相機、 GPS定位晶片、網路功能，以及各類風測器，可讓機器人做到影像辨識、 (

物件追蹤、地圖定位、網路通訊、語音辨識與導航等。此類元件或者機器人處理器無

法負荷或者是所費不賀，較難讓班上每位同學都有一套設備可操作。反觀現下智慧型

手機普及，且可透過紅外線、藍牙與無線網路來連接各類外部裝置，因此整體的教學

環境較數年前來得成熟。

*本篇通訊作者:曾吉弘'通訊方式 nissin@cavedu.com 0

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結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學

手機戚測器結合機器人之應用簡列如表 1 '事實上表中每一個項目都是大學電

機、資工相關科系之一整學期之課程，故此本文作者設計本課程之目的，並非在於讓

學生精通下表中各功能，而是讓其理解智慧型手機與機器人結合之後的各種多元應

用，並對於物聯網與各類網路服務有一定的認識。

表l 手機戚測器結合機器人之應用

手機功能 機器人可執行之應用

相機 影像辨識、物件追蹤

GPS定位 地圖定位、導航

WiFi與GPRS行動網路 網路通訊

語音辨識與輸出 聲控與語音對談

參、課程規割

本課程之設計目標，在於使用Java程式語吉來編寫各類，讓學生對於Java這類物

件導向程式語言以及高階機器人行為控制，得以在實作中逐步建立概念。本學期課程

共16週，可分成四個階段: Android基礎、機器人基礎、結合網路服務與進階機器人行

為控制。課程規劃如表2:

表2 十六週課程名稱與內容

週數 課程名稱 課程內容

階段1 : Android基礎

Android環境安裝安裝Android SDK開歐模擬器

2. 介面設計 認識畫面元件.按鈕、下拉式選單與標籤等

3 介面設計 畫面元件:載入網頁、呼叫外部程式

階段2 :機器人基礎咕咕一\

、

4. 機器人組裝組裝雙輪機器人

理解如何控制兩個馬達轉速來控制機器人行進方向、司..-.J

5. 與外在環境互動取得指定埠之戚測器值使用 if/else來講機器人得以躲避障礙

物

(

ρ

Septemb釘， 2015 Secondary Education 83

j 司、

" 認識藍牙通訊架構

、6. 藍牙通訊

發送字元、數值與位元組給機器人

按鈕控制機器人(圖 2) F

「繳交提案計畫書」

7 廠測器 使用手機的姿態國測器來控制機器人的行進方向

8. 觸控 取得觸碰點座標(圖 3)

9. 期中展示 展示學期專題的部分功能

階段3: 結合網路服務

10. Google Map地區l定位 根據手機所在位置載人Google Map並定位

11.人侵者偵測 當手機的GPS戚測器偵測到位於某個範圍之內時，就自動寄

發電子郵件

12.Google Chart雲端圖 擷取機器人鷗測器值，每10筆就更新一次雷達國於手機畫面

表 (圓的

階段4: 進階機器人行為設計

13.路徑規劃 規劃機器人與目的地之間的路徑

計算距離與方位角

14.「課堂競賽」聲控逃 結合Google語音辨識服務，對手機講出指令來控制機器人

宮賽 (圓的

15. 相機 顏色辨識與物件追蹤(圓 5)

16. 期末展示 學期成果展示(圓的

硬體

硬體採用樂高 Nxt機器人，此為臺灣相當普遍之教育性機器人套件。

軟體

使用Java物件導向程式語言來開發An droid智慧型手機程式。

通訊方式

現下機器人常見的通訊方式有紅外線、藍牙與無線網路。

ζ

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結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學

EV3

圈 l 樂高雙輪機器人平臺

間...間閣A.ill

國 2 按鈕控制機器人之手機畫面

國.團is 圖-

•

圖 5 使用手機進行影像辨識的機器人 圈 6 學生期末展示

圖 3 使用多點觸碰來控制機器人左右馬達轉速 圖4 使用 Google Chart#.:會製戚測器圖表

。

September, 2015 Secondary Education 85

肆、間卷議討

平均值 標準差t值 比較

(前測/後側) (前測/後側)

l 硬體操作 3.12/3.83 3.52/3 .41 3.31** 1 <2

2.智慧型手機程式設計 3.27/2.49 2.53/2 .41 2.11 * 1 = 2

3 手機控制機器人 2.62/3.61 3.68/3.24 4.43*** 1 <2

4 自我評估與學習動機 3.82/3.36 3.57/3.08 3.42*** 1<2

整體評估 3.34/3.的 3.55/3.20 3.77** 1<2

本課程實施於104學年度下學期，對象為淡江電機工程學系之大三大四同學共35

名。於學期初與學期結束實施於前測與後測。學生依據對於問題的認同度與否給予

「非常不同意」至「非常同意」等五個級距。問卷問題分成四類 r硬體操作」、

「智慧型手機程式設計」、「手機控制機器人」、「自我評估與學習動機」。扣除無

效問卷3份之後，施行T檢測之結果如表3 :

表3 問卷統計結果

恆、結識與汞來展望

本文因應當下智慧型手機日漸熱門的趨勢，試著將手機的各種功能與機器人平臺

結合，設計出一學期之整合性課程。根據本學期的問卷實測結果，可得出本課程設計

對於本文之實驗樣本(淡江電機系35位大三、大四同學〉在「硬體操作」、「手機控

制機器人」以及「自我評估與學習動機」等三方面有正向助益。期待之後能收集更多

樣本數並於不同科系施作本課程，並進行相關之差異比較。

ζ刁

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附錄:間卷

結合智慧型手機與機器人之專題導向式教學

C

硬體操作2

1.我能獨立完成機器人的機構設計(不限難易)

2 我能設計一個可夾取/搬動罐子的機器手臂。

3.我能將兩個齒輪以90度相接並順暢運轉。

4.我理解車體長度、寬度、高度與輪胎尺寸對於輪式機器人在運動上的影響。

5.我理解如何安裝國測器來達到最好的偵測效果

智慧型手機程式設計

6.我理解有關物件導向、繼承、多形與抽象他等重要Java干呈式設計概念。

7.我理解如何使用Eclipse來查找指令說明與除錯。

8.我理解事件( event) 與監聽器( I凶ener) 的使用方式與時機。

9我理解如何將程式安裝到模擬器或手機上以及打包為 apk安裝檔。

l。我理解如何取得手機上的感測器狀態。

II我理解如何運用多執行緒 (multi-thread) 方法來讓程式更有效率。

12.我理解智慧型手機程式中的各種畫面冗件使用方法( Button 、 Spinner 、 EditText或Image等

等)

手機控制機器人

13.我理解如何使用姿態廠測器或陀螺儀戚測器，根據手機的傾斜狀態來控制機器人的動作。

14我理解如何將機器人的戚測器值，藉由Google Chart API取得各式圓衰，例如折線圖或雷達圖。

15.我理解如何取得手指頭的觸碰點，並轉換為角度或移動距離與速度。

16.我理解如何取得手機的GPS 座標之後，發送給Google Map並取得現在的地圖畫面。

17.我知道如何消除風測器雜訊避免機器人過於敏廠。

18.我理解藍牙或網路傳送的封包格式。

自我評估與學習動機

自9 碰到問題時，我會去查找相關書籍或網路資源。

2。我喜歡動手設計組裝不同的機器人機構。

21對於製作機器人時所碰到的問題與挫折，我就是放棄不管了。

22.我能獨力完成課堂所指定的機器人並參加比賽(不限難易)。

23.我認為本學期課程難易適中，不需要事先修習過Java或相關程式語言課程。 可7 \

24我覺得本學期課程的學習對於未來學習設計機器人與手機程式是有幫助的。 \

~

Septemb前， 2015 Secondary Education 87