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02
零件總表 03前言 01 第 10 課 創意機構大挑戰 78
第 01 課 認識 S4A 15
第 03 課 讓馬達動起來 27
第 05 課 程式控制大挑戰 51
第 07 課 救火員 60
第 09 課 咕咕鐘 72
準備工作 05
第 02 課 感測外部的訊息 20
第 04 課 傳動機械 39
第 06 課 翹翹板 53
第 08 課 雲梯車 65
第 12 課 平交道 88
第 14 課 貓頭鷹 99
第 16 課 投石機 107
第 18 課 遙控夾罐車 117
第 11 課 守門員 強棒出擊 80
第 13 課 四足行走機器人 94
第 15 課 團隊合作大競賽 105
第 17 課 擺頭智慧避障車 112
第 19 課 智慧機關王 122第 20 課 積木機械人創新比賽 127附錄：Learning Lab 全系列介紹 129
目 錄
C 版權聲明
1. Microsoft Windows 2000/XP/7/8 是 Microsoft 公司的註冊商標
2. Arduino 的 核 心 開 發 團 隊 成 員 包 括：Massimo Banzi, David
Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis 和 Nicholas
Zambetti。Processing 由 MIT 媒體實驗室美學與計算小組 (Aesthetics
& Computation Group) 的 Ben Fry (http://benfry.com/) 和 Casey Reas
發明。
3. S4A is free software distributed under an MIT license
Copyright C 2010 Massachusetts Institute of Technology
The S4A logo is a trademark of Citilab.
4. 本書所提之各註冊商標分屬各註冊公司所有，不再一一聲明。
(v1.0)
03 04
01
02030405060708091011121314151617181920212223242526272829
S4A Sensor Board（含 Funduino）
USB 連接線
伺服馬達
角度伺服馬達
藍牙接收模組
紅外線測距感測器
DC-9V 電源接頭
萬向輪
大長方框
長方框
多向長方框
正方框
超長條
11 孔長條
五孔長條
五孔超長條 – Ⅰ
五孔超長條 – Ⅱ
五孔超長條 – Ⅲ
三孔長條
1/4 圓長條
馬達短軸
3CM 傳動軸
6CM 傳動軸
7CM 傳動軸
10CM 傳動軸
15CM 傳動軸
15CM 齒條
200CM 棉線
20T 齒輪
3031323334353637383940414243444546474849505152535455565758
40T 齒輪
60T 齒輪
80T 齒輪
10T 鏈輪
30T 鏈輪
小滑輪
中滑輪
蝸形凸輪
賽車輪
大橡皮圈
軸固定器
軸連接器
90 度連接器 – Ⅰ
90 度連接器 – Ⅱ
二轉一接頭
關節
鏈條
短固定鈕
插銷
活動軸
自轉軸
長結合鍵
短結合鍵
3CM 空心管
公仔東尼
底盤
4CM 球
貓頭鷹紙卡
扳手
零 件 總 表
1 2 3 4 5
×1 ×1 ×2 ×1 ×1
6 7 8 9 10 11 12
×1 ×1 ×1 ×2 ×3 ×6 ×6
13 14 15 16 17 18 19 20
×6 ×6 ×3 ×5 ×4 ×2 ×2 ×12
21 22 23 24 25 26
×2 ×1 ×1 ×2 ×1 ×2
27 28 29 30 31 32 33 34 35
×2 ×1 ×2 ×3 ×2 ×1 ×2 ×1 ×2
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
×2 ×2 ×2 ×2 ×4 ×2 ×4 ×2 ×4 ×6 ×45
47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58
×12 ×4 ×10 ×4 ×15 ×23 ×2 ×1 ×2 ×1 ×1 ×1
＊零件顏色隨機出貨，可能與圖示不同
05 06
1Step 2Step
3Step 4Step
在開始學習之前，請先依序安裝以下軟體，這會是你進行接下來 20 堂課需要的工
具。
1 安裝軟體與韌體
從 http://s4a.cat 進入 S4A 官方網站可以從 Downloads 下找到以下安裝軟體。
3. 下載 S4A 軟體（Windows 版本）
1. 下載並安裝 Arduino 官方的開發環境
2. 下載 Arduino 的韌體（按右鍵另存新檔）
1-1 下載 Arduino 官方的開發環境（最新版次 1.0.5）http://arduino.cc
1-2 安裝 Arduino 官方的開發環境（最新版次 1.0.5）
準 備 工 作
07 08
5Step 9Step 裝完驅動程式 , 從我的電腦點右鍵選內容→硬體→裝置管理員→連接埠 (COM 和 LPT) 下找到 USB Serial Port，Window8 系統若無法正常安裝驅動程式，請先停用驅動程式強制簽章。
1-3 下載 S4A 的韌體（按右鍵另存新檔）
1-4 安裝 S4A 韌體
1Step
看到這個表示驅動程式安裝完成，找到此裝置的連接埠，記下這裡是變數，以上圖為例，連接埠為 COM3。
執行 arduino.exe 編輯器程式
也可以直接下載 zip 檔直接解壓縮，並置於安裝位置。
將Arduino的USB插入電腦，會跳出硬體偵測畫面。
6Step
7Step 8Step
2Step 開啟 S4A 的韌體
09 10
3Step
1-5 安裝 S4A 程式
1Step
Tools → Serial Port 選擇 COM3 →上傳韌體
安裝
1-6 可以開始使用了！打開 S4A（會自動抓到 Arduino）
1. 連線成功後，舞台區的偵測面板數值會不斷跳動。如果沒有跳動或顯示 Searching board，請再次檢查接線等，或者拔插 USB 線再偵測一次。
2. 偵測面板預設有 Analog0~5 等 6 個類比輸入腳位。值介於 0~1023 之間，2 個 Digital 1~2 數位輸入腳位，值有 True 和 false 兩種（ON/OFF，按下，成立 / 不成立）。感測版方便使用已經預置許多用途，請參考下列技術資料。
11 12
2 技術資料
2-1 S4A Sensor Board
2-1-1 簡介
S4A Sensor Board 主要設計給 Arduino S4A 初學者使用的一塊互動板，結合麥克風、按鍵開關、
光源感測、滑桿式可變電阻、LED 、蜂鳴器等元件，以及四組 RJ11 的接頭可供外部連接其他裝
置或元件，如溫濕度感測器、土壤濕度感測器等。另外預留一個藍牙孔位給需要無線傳輸的使
用者。可利用此無線傳輸跟 Android 手機或電腦溝通。AIS 板子上也預留六根數位腳位給其他需
要外部電源的裝置使用，例如連接多個伺服馬達。RJ11 端可接至少十米長的電話線連接感測器。
2-1-2 特點
1. 四個 RJ11 接頭容易外接其他裝置（D2/D3, A3,A4,A5）
2. 一個一公分大小的按鍵開關（D2）
3. 一個蜂鳴器（D9）
4. 一個麥克風（A2）
5. 兩顆 LED 顯示：一顆為紅色（D10），一顆為綠色（D11）
6. 一個滑桿可變電阻（10K），有效行程 65mm（A0）
7. 一個光感測元件（A1）
8. 預留一個藍牙孔位（UART）
2-2 Arduino 板配合 S4A Sensor Board 輸出輸入腳位說明
2-2-1 Analog 類比訊號 Digital 數位訊號
輸入 輸出
種類 腳位 種類 腳位
滑桿可變電阻 A0 蜂鳴器 D9
光感測元件 A1 紅色 LED D10
麥克風 A2 綠色 LED D11
按鍵開關 D2 連續旋轉伺服馬達 D4，D7
2-2-2 S4A 指令與配合 S4A Sensor Board 輸出
D10 紅 LED D11 綠 LED 數位輸出 ON/OFF
D12 D13 未指定 數位輸出 ON/OFF
A9 蜂鳴器 調整類比訊號 0~5V 電壓值 0-255
A5 A6 未指定 調變類比訊號 0~5V 電壓
8 腳位角度伺服機 0~180 度
4.7 腳位連續旋轉伺服器 順 / 逆時針轉 停止
2-2-3 S4A 指令與配合 S4A Sensor Board 感測輸入
A0 滑桿可變電阻 0-1023
A1 光感測元件 0-1023
A2 麥克風
D2 按鍵開關 ON/OFF
RJ11 接頭 A3，A4，A5 0-1023
13 14
2-3 紅外線測距感測器
從 10cm 到 80cm 的距離，紅外線測距感測器，距離成反比的
模擬輸出，S4A Analog 值約在 50~650 之間，在 10cm 以內感
測值反而降低。
3 排線接線注意事項
3-1 伺服馬達
3-2 紅外線測距感測器
4 藍牙無線模式設定
4-1 確認電腦的藍牙功能
請確認電腦有藍牙功能，部分筆電與桌型電腦沒有藍牙功能，請自行加購USB藍牙接收器並驅動它。
有些舊型筆電藍牙功能不佳，也可以再外接 USB 藍牙接收器。
4-2 藍牙裝置驅動
1. 選取新增至電腦的裝置
2. 選擇裝置的配對碼
▲
▲
3. 輸入配對碼
4. 傳輸鮑率為 38400
5. 從工具列啟動藍牙
▲
▲
▲
開啟藍牙，當 S4A 搜尋到藍牙連接的
Arduino，偵測板會跳數值。
補充注意事項：
1. Arduino 板上腳位電流量較小，僅有 50mA 左右，如果掛上伺服馬達後發現會有顯示 [Searching
board] 情形，一般就是 USB 供電不足，請使用 9V 方型電池與接頭插上 Arduino 板供電或使用
9V 之變壓器插上供電（本包裝不提供 9V 電池與變壓器）。
2. 藍牙接收模組上均貼有命名與配對碼，請勿撕除 ! 配對碼一般內建為【1234】或【0000】。
紅外線測距排線接孔
紅外線測距排線與 Sensor Board 接孔
15 16
知識小學堂
大家都看過變形金剛系列的電影吧，變形金剛的外型像人型機器人，
又可以變成各種汽車，坦克、飛機等，真是精采萬分。但是什麼樣的東西才是
機器人呢？機器人看起來像人型嗎？
從科學與科技的演進來看，人類從使用雙手，到使用工具，使用火等資源，成為萬物之靈；在
漫長歲月後，工具發展史上也設計製作出許多傳動零件例如齒輪、連桿等機構；18 世紀英國瓦特
（Watt）成功建造實際可行之蒸氣機，也引發之後的工業革命。蒸氣機的意義在於人類擁有具有巨
大動力的機器，讓我們得以完成許多以往無法完成的工作。這些機器設計為可以完成固定的工作，
或者改變組裝做其他工作。
到底什麼是機器人？怎麼樣的機器才能叫做機器人？機器人又該具備什麼樣特性？美國機器人
協會給機器人下的定義是：「一種可以重新設定程式，多功能的機械手，經由事先設計好的各種可
變動作，搬運材料，零件，工具或其他特殊裝置，以執行不同的工作任務。」機器人在面對變化與
不確定的工作環境與程序時，具有一定判斷能力。
在此介紹一個可以互動與感測判斷的控制電路板 Arduino。
Arduino 是一個開放硬體，是一張微控制電路板，在這張板子上可以
加裝馬達、LED 燈、開關，以及各種 sensor（感應器），像是光源
感應器、溫度感應器、聲音感應器……等。也因為可以加上許多種
類的感應器，如此便可以利用智高積木組裝多變化的機器人做出不
同的應用。由於 Arduino 進入門檻低，只要懂簡單的機械原理，加上創意，就可以製作獨一無二的
機器人。
而機器人定義的特點在於可程式化控制；可以編寫 Arduino 控制程式的電腦軟體及語言很多，
我們選擇最輕鬆上手的 S4A 來做為互動控制軟體。
什麼是 S4A ？
目前有許多學校使用 Scratch 教學程式語言概念，其實也可將 Arduino 與 Scratch 結合，讓學
生自行撰寫 Scratch 程式控制 Arduino 做出各種動作，或是由 Arduino 取得外部感測器偵測到的數
值。
S4A（Scratch for Arduino）軟體是以 Scratch 為基礎改良的軟體，除了原有 Scratch 所有功能外，
我們可以從 Arduino 取得可調變電壓的變化，轉換成數值後再讀取到 Scratch 程式中，控制畫面中
的角色互動，現在更進一步控制外部的馬達運動與感測器等，讓學生可以自己創作不同互動式人
機效果。
S4A 所有的操作介面與程式都與 Scratch 相同；我們設定你已經接觸過 Scratch 程
式的操作應用，以 S4A 更多的輸出 / 輸入功能來豐富互動學習課程。如果你還沒有認識
Scratch，那請你就由 S4A 來學習起，可以同時認識互動編程軟體 Scratch 與 S4A 的雙重學
習樂趣。
現在讓我們開始來認識 Arduino 與 S4A 吧 !
組裝步驟
零件清單
1 2 13 52 55 58
×1 ×1 ×1 ×2 ×1 ×1
完成圖
認 識 S4A
第 課01
17 18
0201
03 04
0605
程式執行
完成圖
準備好手提電腦 NB 或者桌上
電腦 PC，最好具有喇叭輸出裝
置。
1插上 Arduino電路板的 USB
線，開啟 S4A 軟體。
2連線成功後，
舞台區的偵測面板數值會不斷跳
動。
3
1. 按【上移鍵】讓紅色 LED 亮 2 秒，
然後熄滅。
2. 按【上移鍵】讓綠 LED 亮 5 秒，然
後閃爍 3 次，亮紅燈 5 秒。
3. 按【上移鍵】讓蜂鳴器響高低聲音，按【空白鍵】關閉。
18
19 20
第 課1. 請設計一個路口紅綠燈，重複綠燈亮 5 秒 -> 閃爍 3 次
亮紅燈、紅燈亮 5 秒 -> 熄滅。
2. 請設計一個閃爍紅綠燈，並且沿路鳴笛的救護車情境。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
知識小學堂
在 2010 臺北國際花卉博覽會夢想館的「花械花開（Florabot）」，是令人感到驚喜的展覽，也
是最吸引人潮的展場，當參觀人員接近，電子花朵會立刻感應到人的動態，接著產生光影和形體的變
化的互動設計！而這個頗受各界好評的互動裝置，就是用 Arduino 做出來的。
Arduino 是一個微控制電路板，在這張板子上可以加裝馬達、LED 燈、蜂鳴器 .. 等（稱為輸出
Output），以及各種 Sensor（感應器），像是光源感應器、溫度感應器、聲音感應器、按鈕開關 ... 等
（稱為輸入 Input）。在感測板上分別有可變電阻 VR（Analog0），光感測元件（Analog1），聲音感
測器（麥克風 Analog2）以及按鈕開關（Digital2），這個單元，讓我們使用 Arduino 外接的感測板
上的感測器來做互動應用。
組裝步驟
零件清單
1 2 10 11 45 52 55 58
×1 ×1 ×2 ×2 ×6 ×2 ×1 ×1
感 測 外 部 的 訊 息
02
21 22
完成圖
0201
03 04
0605
1009
07 08
23 24
1. 滑動可變電阻，請 觀 察 舞 台 區的 偵 測 面 板 數值 Analog0 的變化，它的數值變化是多少？
3. 遮 住 與 放 開 光感測光敏電阻，請 觀 察 舞 台 區的 偵 測 面 板 數值 Analog1 的變化，它的數值變化是多少？
2. 按 一 按 按 鈕 開關，請觀察舞台區的偵測面板數值 Digital2 的 變化，它出現的字串是什麼？
4. 敲一敲麥克風，請 觀 察 舞 台 區的 偵 測 面 板 數值 Analog2 的 變化，它的數值變化是多少？
想一想
程式執行
1. 可變電阻：VR- 飛行鸚鵡
(1) 匯入取代 Arduino 造型。
(2) 匯入背景。
(3) 拉動可變電阻，鸚鵡除了來回飛外，還會依 VR 位置來上下移動。
(4) 產生一個變數【高度】，舞臺 480 X 360，VR 的值是 0~1023，除以 2.84約 360，因此減 180 是在舞台中間鸚鵡【移動】要限制左右移動，上下 Y軸由 VR 來控制。
你也可以改成黑夜的蝙蝠噢 !
2. 按鈕開燈
(1) 匯入 取代 Arduino 造型並複製 1 個，畫上亮的燈罩。
(2) 匯入背景。
當按一下按鈕，檯燈會變亮，
再按一下檯燈熄滅。
挑戰題：如何讓背景也隨著燈光明暗？
25 26
3. 聲控開燈
將上一個程式修改成讀取Analog2 麥克風的值，對著麥克風拍手或吹氣，燈光也會一明一滅。
4. 光感測開燈 (1) 在 Google 搜尋一個房子造型， 匯入取代 Arduino 造型。
(2) 匯入背景。
(3) 背景程式。
(4) 當用紙張遮住光感測元件，房子與背景都變暗，LED 燈亮起來。
(5) 亮度差異太大時，依照現場光源差距，修改運算公式。
角色程式
想一想
1. 以上感測板上的功能，好像我們五官感覺的功能，請提出你的比較。
2. 請想像感測板上還可以加上什麼功能的感測器，讓它能更多接受外部的訊息變化？
機器人需要什麼功能感測外部的訊息變化？你可以寫出你
想設計的機器人特色，以及它需要什麼樣的感測能力？
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
27 28
第 課
!小秘訣 伺服馬達如果正轉突然反轉，有可能讓 S4A 斷訊，這是馬達扭力突然增加致 USB 供電
量不足，拔開 USB 再插上重新連線。
解決之道 1. 加外部供電 7~12V DC 直流供電。
2. 選用扭力較一般的伺服馬達 3. 正反轉中間加入馬達停止時間指令。
讓角度伺服馬達轉動
2 角度馬達轉到 180 度，2 秒鐘後轉到 90 度，2 秒鐘後轉到0 度。
角度馬達轉到 180 度，2 秒鐘後轉到 90 度，2 秒鐘後轉到 0 度。
!小秘訣 角度伺服馬達如果連續改變轉角，有可能讓 S4A 斷訊，這是馬達扭力突然增加致
USB 供電量不足，拔開 USB 再插上重新連線。
解決之道 1. 加外部供電 7~12V DC 直流供電。
2. 角度伺服馬達轉角 0~180 度，但是通常每一個馬達轉動角度並不一致，在 150 度到
180 之間。
3. 另外，如何讓角度伺服馬達轉角歸零位置符合你的模型設計需求，可以在未接上電源
前，利用手或積木加長將心軸輕輕向右扭轉到盡頭，再鬆開馬達心軸螺釘，將驅動
盤重新套入確定角度位置再鎖緊。
組裝步驟
零件清單
10 12 13 14 15 22 24
×2 ×3 ×1 ×1 ×1 ×1 ×2
27 29 30 32 41 51 53 54 55 58
×1 ×1 ×2 ×1 ×2 ×1 ×2 ×1 ×1 ×1
1 2 3
×1 ×1 ×1
知識小學堂
如何讓機器人動起來？在前二堂課我們認識了 Arduino 控制板，又學習到許多種感測器可以感
知之外部的訊息；然後藉著 S4A 程式積木的組合，已經學到電腦與我們的精采互動。還記得機器人
的特性嗎？機器人另一個重要的特性是：可移動性和可以作預期的動作。馬達是動力的來源，日常
家庭中的家電都有馬達的存在，例如電風扇，洗衣機，電梯等。
因此我們的機器人要藉著馬達來提供動力，再由智高積木的組裝與傳動，你可以設計出自己的
專屬機器人噢！
現在我們來使用伺服馬達，伺服馬達有 3 條電線，黑或棕色線插在 G 處（G 代表地線，紅色 V
是正電 Vcc，S 是訊號線，注意不要插錯了！
連續旋轉伺服馬達排線插在 4 與 7 腳位，注意黑或棕色線插在 G 處（G 代表地線，V 是正電
Vcc，S 是訊號線）。
程式執行
讓連續旋轉伺服馬達轉動
1 馬達 4 正轉 2 秒鐘，反轉 2 秒鐘停止
挑戰題：請設計程式按【左移鍵】馬達 4 正轉，按【右移鍵】馬達 4 反轉，按【空白鍵】停止。
讓 馬 達 動 起 來
第 課03
29 30
完成圖
正齒輪箱1
0201
03 04
0605
09
07 08
程式執行
連結 S4A 程式如右，並且按下【上移鍵】。
31 32
想一想
1. 藍齒輪與紅齒輪各有幾齒？
2. 兩個齒輪轉動的關聯為何？
3. 如何做出加速齒輪箱？
4. 你的加速齒輪箱，主動輪與從動輪的轉速比是多少？
完成圖
齒輪與齒條傳動箱2
0201
0605
1009
03 04
07 08
33 34
程式執行
使用剛剛的程式 . 當藍齒輪轉動，齒條一
去不回了。
想一想
修改程式，讓藍齒輪轉動時，齒條變成來回運動？
完成圖
斜齒輪傳動箱3
0201
0605
03 04
07 08
35 36
程式執行
修改 S4A 程式並且按下【上移鍵】。
想一想
觀察兩個齒輪轉向如何。
完成圖
遊樂場咖啡杯4
0201
0605
03 04
07 08
37 38
1009
13
11 12
程式執行
修改 S4A 程式並且按下【上移鍵】。
1. 當自由旋轉時，觀察公仔的運動方式。
2. 用手停住黃色超長條轉動，觀察公仔的運動方式。
3. 按下【空白鍵】停止馬達轉動，用手帶動黃色超長條轉動，觀察公仔的運動方式。
想一想
哇 ! 齒輪箱竟然有這麼多的用途，
請設計一個你自己的齒輪箱模型，並說出它的功能。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
39 40
第 課04
傳 動 機 械
知識小學堂
機器人的運動藉由伺服馬達提供旋轉動力，角度伺服馬達則提供角度轉動量。這些旋轉動力還
要藉著傳動機械組件來傳遞，傳動機械零件種類很多，上一單元我們體驗到齒輪的傳動，有很多模
式種類，讓旋轉動力變成「改變轉向轉速」、「直線運動」、「擺動」等多樣的運動變化。
這一單元我們要再認識兩種傳動機械組件：鏈輪與皮帶輪，這兩個傳動機械組件稱為撓性傳動，
也就是中間藉著可撓曲的傳動件：鏈條與皮帶來傳動；它的特點在於因為撓性傳動，只能用「拉力」
而不能用「推力」。另外只要兩個軸在適當位置內，都可以藉著適合長度鏈條與皮帶來傳動，而不
需要在同等高度或固定尺寸距離內。
我們所騎乘的單車的傳動就是藉由踏板帶動主動鏈輪，經鏈條傳達到後輪來前進。
就讓我們來動動手吧 !
組裝步驟
零件清單
12 14 15 21 24 26 28 33
×4 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1
34 36 39 41 51 53 54 55 58
×1 ×2 ×1 ×2 ×2 ×2 ×1 ×1 ×1
1 2 3 11
×1 ×1 ×1 ×2
完成圖
鏈輪傳動1
0201
03 04
41 42
0605
1009
07 08
11
程式執行
連結 S4A 程式如右，並且按下【上移鍵】。
想一想
1. 兩個鏈輪各有幾齒？
2. 兩個鏈輪轉動的關聯為何？
3. 兩個鏈輪互換位置，轉動的關聯有何變化？
完成圖
皮帶輪傳動2
43 44
0201
0605
03 04
07 08
11
09 10
程式執行
連結 S4A 程式如右，並且按下【上移鍵】。
觀察兩個皮帶輪轉向如何。
將皮帶翻轉連接。
觀察兩個皮帶輪轉向如何。
接下來利用 Gigo 積木介紹有趣的機構，配合介紹的機構原理，加上簡單的馬達傳動，如同真實的遊樂場的設施好玩有趣。
45 46
完成圖
轉圈圈3
0201
03 04
0605
1009
07 08
11 12
47 48
程式執行
連結 S4A 程式，並且按下【上移鍵】。
完成圖
盪鞦韆4
0201
0605
1009
03 04
07 08
49 50
1211
1615
13 14
程式執行
連結 S4A 程式，並且按下【上移鍵】。
想一想
如何調整程式，讓鞦韆擺動更大？
日常生活中還有哪些用品是用鏈輪、鏈條與皮帶輪來帶動
的呢？請將畫出來並且分大家分享。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
51 52
第 課
程 式 控 制 大 挑 戰
專題製作
這一堂課是自由創作，程式控制大挑戰。我們規範一個主題：十字路口。
在第一單元中，我們學會控制 LED 燈號。請就這個基本模型作創意發想，設計一個十字路口的
情境互動表演。
1. 首先先腦力激盪；在十字路口有甚麼樣的人、事、物與故事呢 ? 請大家一起腦力激盪，並且
把它分類用心智圖把它畫下來。
2. 規劃好表演情境後，再畫出故事腳本。
3. 找尋可用資源，壁報紙，還有教材箱的積木。
4. 組裝，並且使用 S4A 來編寫互動程式。
有一個秘訣噢！ S4A 可以接一塊以上的 Arduino 控制板，所以兩組材料箱可以扮演的故事更豐
富了！
05
1
2
3
設計規劃
我 的 作 品 照
52
模型設計
模型創作
競賽獲勝
自我
評量
54
第 課
53
第 課
翹 翹 板
知識小學堂
機器人的運動藉由伺服馬達提供旋轉動力，然後我們學習了齒輪的傳動，齒輪與齒條，鏈輪，
皮帶輪等模式種類的傳動機械組件，讓旋轉動力變成「改變轉向轉速」、「直線運動」、「擺動」
等多樣的運動變化。
這一單元我們要再另外一種重要傳動機械組件：連桿。它又稱為剛性傳動組件，也就是機器零
件中間，藉著不可撓曲的傳動件來傳動；它的特性是：剛硬的，並且使用可旋轉的連接點來連接兩
個或兩個以上的機器組件，特點在於因為剛性傳動，可以使用「拉力」也可用「推力」。
大家對於連桿這個名詞可能覺得陌生，其實仔細觀察，只要是能有確定動作的物品中都有它的
存在，例如槓桿就是其中一個應用；火車車輪之間的連桿也是這型態的應用。組裝模型時，固定的
連結件稱為組件，而可以傳動拉力、推力、轉動等動作，連接點是鬆的、可以轉動就是連桿。讓我
們運用「翹翹板」這個例子來認識連桿的應用。
組裝步驟
零件清單
13 15 16 21 24 41
×2 ×3 ×2 ×1 ×1 ×1
49 52 53 54 55 58
×5 ×2 ×2 ×1 ×1 ×1
1 2 3 11 12
×1 ×1 ×1 ×2 ×3
完成圖
翹翹板 -11
0201
03 04
06
55 56
0605
1009
07 08
11
程式執行
連結 S4A 程式，並且按下【上移鍵】。
想一想
1. 翹翹板撞到地板了！要如何調整程式讓翹翹板很順利搖擺？
2. 如何讓擺動 5 次，然後自動停止？
3. 如何讓翹翹板不斷擺動，按空白鍵自動停止？
完成圖
翹翹板 -22
57 58
0201
0605
03 04
07 08
1211
15
09 10
13 14
59 60
第 課程式執行
連結 S4A 程式，並且按下【上移鍵】。
想一想
翹翹板 -1 與翹翹板 -2 出現什麼樣的不同處？請列舉出來。
機器人需要利用到槓桿與連桿嗎？你可以試著設計的機器
人具有平行連桿的模型。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
救 火 員
知識小學堂
“119”這個數字讓我們想起了火警報警電話，所以，我們也把 1 月 19 日作為消防安全的教
育日。火災的發生，常常會給人們的生命財產造成極大損失。因此，消防安全，特別重要！小學生
無論在校學習還是在家休息，無論在校內還是在校外，都要具有較強的防火意識和消防意識，認真
學習和掌握消防安全知識，預防和火災事故的發生！如果萬一發生火災或遇到火災時，希望同學們
也不要驚慌失措、無所適從，而應當快速反應，掌握逃生要訣，確保生命安全！這時候，消防隊的
救火員哥哥，都會英勇的出現，除了灑水滅火外，經常不顧危險，架高梯冒險英勇的救助受困百姓；
我們也來幫救火員哥哥設計一個爬高梯救人的精采模型吧！
組裝步驟
零件清單
1 2 3 11 12 16 23
×1 ×1 ×1 ×2 ×3 ×3 ×1
27 29 51 53 54 55 58
×2 ×1 ×5 ×2 ×1 ×1 ×1
07
61 62
完成圖
0201
03 04
0605
1009
07 08
11 12
63 64
1413
15
想一想
這是我們學習過的齒輪與齒條應用，和之前的傳動方式有什麼不一樣呢？
程式執行
按【上移鍵】執行，消防員公仔會隨著馬達間歇運轉，慢慢往上爬。救到民眾後就直接滑下來
下載一個房子的背景圖
下載 Fireman gif 檔
下載消防警報 WAV 檔
背景程式進階程式
火焰程式 救火員程式消防員程式
挑戰題：請修改程式，看誰的消防員爬的最高；執行幾次後，誰的消防員能離地面最低。
這個模型結構讓你聯想到什麼，如果將齒條橫放組裝，可
以設計出什麼模型？想一想，並畫下來。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
65 66
第 課
雲 梯 車
知識小學堂
消防隊的大哥哥太辛苦啦！為了救助百姓，辛苦的背著裝備爬上高樓，還背負百姓逃離火災現
場。我們做一台雲梯車送給他們使用吧！
消防隊的雲梯車體積很龐大，到達火災現場，立即伸展開伸出長長的懸臂與平台。普通的消防
雲梯車可以到達的高度為 30 至 50 公尺，特殊需求的更可高達 60 至 70 公尺。目前世界最高的消
防雲梯車是芬蘭消防工廠製造的，名為擎天搶險消防平臺雲梯車，據稱這款消防雲梯車最高高度為
101 公尺，可以旋轉 360 度，其安全工作負載更高達 400 公斤，代表了現代最高水準的消防技術。
一般雲梯車最高只有到達 53 公尺，大約最多只上到 18 層樓；因此超高樓層的救災還需要使用直升
機等救災設備。
在這個單元，我們應用一種連桿叫做交叉連桿，這是另外一種型態的昇降裝置，使用交叉連桿
作出開合昇降動作；你可能看過也玩過伸縮拳頭玩具，可以伸出與收回， 就是使用交叉連桿，我們
應用這種機構原理來創造一台雲梯車吧！
組裝步驟
零件清單
12 13 14 15 16 21
×3 ×6 ×1 ×1 ×2 ×1
27 29 32 49 52 54 55 58
×1 ×1 ×1 ×10 ×4 ×1 ×2 ×1
1 2 3
×1 ×1 ×1
完成圖
雲梯車 -11
0201
03 04
08
67 68
0605
1009
07 08
11 12
1413
程式執行
設計 S4A 程式如右，並且按
下 ，本程式執行
使用廣播功能，用不同物件來啟動正反轉功能，讓程式更有條理。
完成圖
雲梯車 -2（另外的組裝方式：使用齒條與齒輪）2
69 70
0201
0605
03 04
07 08
1009
1413
11 12
15 16
71 72
第 課想一想
這個雲梯車的程式要怎麼寫？才能順暢控制雲梯升高與下降？
在消防救火還有哪些用的著的設備設施？讓我們一起把
它做出來！
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
咕 咕 鐘
知識小學堂
布穀鳥鐘（德語：Kuckucksuhr），產自德國南部黑森林地區，與同一地區出產的拉克施爾德
鐘（德語：Lackschild-Uhr）齊名天下。它的內部有設計精巧的齒輪裝置，每到半點和整點，鐘上
方的小木門就會自動打開，並且出現一個會報時的布穀鳥，發出悅耳的「咕咕」的叫聲。因此，
也稱作咕咕鐘。
布穀鳥鐘的歷史記載可以追溯到 17 世紀中葉，而最早的布穀鳥鐘出現於 1730 年到 1750 年
之間的黑森林地區，那時的黑森林地區鐘錶製造業已相當盛行，許多家庭都以造表為生。19 世紀
後半葉起，布穀鳥鐘成為世界聞名的紀念品和外國人眼中德國的一種標誌。
咕咕鐘的結構非常精巧與複雜，以純粹的機械結構能製造出具有精準報時與音效，並且有布
穀鳥的動作，真是令人讚嘆！
本單元應用先前的機構原理配合 Arduino 感測板上的光敏元件、聲控麥克風等輸入，製作綜
合應用練習與程式互動控制。使用一個伺服馬達的動作，模型的組裝較為複雜，以齒輪齒條運動
配合 Arduino 製作綜合應用練習與程式互動控制。
這次模型使用了電腦倒數計秒程式，啟動咕咕鐘布穀鳥開門並演奏樂音，最後再關門回到咕
咕鐘之中。是一個充滿樂趣與挑戰的模型。現在，準備好接受挑戰了嗎 ?GO!GO!GO!
09
73 74
組裝步驟
零件清單
1 2 3 9 10 11 12 14 15
×1 ×1 ×1 ×2 ×2 ×2 ×6 ×3 ×3
16 19 21 24 27 29 42 45 49
×2 ×1 ×1 ×2 ×1 ×1 ×4 ×6 ×2
52 54 55 58
×23 ×1 ×2 ×1
完成圖
0201
0605
03 04
07 08
75 7676
1009
1413
11 12
15 16
1817
2221
19 20
23 24
77 78
第 課程式執行
1. 設 計 S4A 程 式如右，並且按下【空白鍵】。
時間會開始倒數，時間等於 0 時，咕咕鐘會打開，布穀鳥滑出後並演奏樂音，最後再關門回到咕咕鐘之中。
2. 另外時間變數行可以改用拉桿來決定倒數秒數，刪除將變數時間的值為 30 之 程 式行。
想一想
這個模型如何能利用積木做出開關門的動作 ? 訣竅在哪裡，請指出來 !
請修改程式，做出對話式的互動程式，可以輸入幾點鐘，
並且執行後能準確以叫聲次數來準確報時。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
創 意 機 構 大 挑 戰
專題製作
這一堂課是專題製作，創意機構大挑戰。今天的主題是 : 擺動機構玩偶。
機器人的運動模式，大部分是由馬達提供的旋轉運動的動力來源，旋轉運動藉著中間的各種
機器組件，可以轉換成 : 旋轉→直線運動、旋轉→擺動、直線運動→旋轉等等的不同運動模式。
而我們仔細觀察，不論人類或其他生物的活動模式，絕大份是往復的【擺動】運動模式，例
如揮揮手、搖搖頭、邁開步伐、擺動雙手等等；因此可以利用智高積木組裝出很生動的創意機構
模型，由伺服馬達提供旋轉動力，藉由積木組件來組成創意機構。
以下是傳動機構的幾個組裝方式與動作型態，請參考並設計自己的機構玩偶。
10
0201
向上擺動，快速回落 左右擺動，並上向伸縮搖動
03 04
左右擺動 連桿平行並繞圓型軌跡移動
79 80
第 課
守 門 員 強 棒 出 擊
知識小學堂
守門員是足球運動，而強棒出擊是棒、壘球運動，為什麼會擺在一起學習呢 ?
因為這個單元開始，我們有一個新的傳動馬達加入 : 角度伺服馬達。還有一個外接的感測器加
入新學習 : 紅外線測距感測器。我們將利用紅外線測距感測器來偵測球的到來，並用角度伺服馬達
做出防守球門以及揮棒的動作互動遊戲。
角度伺服馬達的特色是，轉動角度 0~180 度之間，以轉動量來準確設定位置，因此在機器人組
裝中，是很重要的動力來源。我們可以指令角度伺服馬達轉動角度值，然後透過傳動組件，來控制
機器人的準確動作。
讓角度伺服馬達轉動
將角度伺服機排線插在 D8 腳位， 注 意 黑 或 棕 色 線 插 在 G處。
角度馬達轉到 180 度，2 秒鐘後轉到 90 度，2 秒鐘轉到 0 度。
紅外線測距感測器，可以偵測前方物體的距離，並且轉變成請觀察舞台區的偵測面板數值
Analog3 的變化，( 要看插在哪一個外接位置，會是 Analog3~ Analog5 其中一個 )。物體越接近，偵
測數值越高。本單元的紅外線測距感測器測量範圍在 10~80cm 之間，數值約在 100~680 之間，當
距離小於 10cm 測量值會反而變小。你可以試試在紅外線測距感測器前方揮一揮手，看哪一個偵測
面板數值在變化 ! 並且可以用直尺來測量，當距離 10cm，20cm，40cm，60cm 等距離的顯示數值
是多少 ? 將它紀錄下來，作為將來要編寫程式測距離的感測值參考。
1
2
3
設計規劃
我 的 作 品 照
模型設計
模型創作
競賽獲勝
自我
評量
11
81 82
0201
0605
03 04
07 08
組裝步驟
零 件 清 單
1 2 4 6 9 11 12 13
×1 ×1 ×1 ×1 ×2 ×2 ×5 ×3
14 16 49 52 54 55 56 58
×2 ×1 ×2 ×11 ×1 ×2 ×1 ×1
完成圖
強棒出擊1
83 84
1009
1413
11 12
程式執行
讓角度伺服馬達轉動
設計右圖所示的程式，並且按下綠旗，首先拉動線性可變電組做球棒歸零，當球順者坡面滾到紅外線測距感測器前，感測值距離條件【成立】時，啟動球棒揮擊。
想一想
1. 如何調整打擊的位置與感測器的位置最適當？
2. 將球籃編上得分數，你認為哪一個分數應該最高？
完成圖
守門員2
0201
85 86
0605
1009
03 04
07 08
1413
11 12
15 16
程式執行
設計右圖所示的程式，並且按下綠旗，當球順者坡面滾到紅外線測距感測器前，感測值距離條件【成立】時，啟動守門員去接球。
87 88
第 課如何調整守備的位置與感測器的位置最適當？延遲啟動的時間如何設定最好？
想一想
1. 請將兩種模型的概念，融合一起，發想一個新的團體競
賽活動，和同學組隊比賽，看哪一隊得分最高！。
2. 請試著改成聲控，按鈕或者光敏元件遮光反應等感測
方式來配合我們的感官反應，設計啟動動作。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
平 交 道
知識小學堂
平交道，是指鐵路與一般公路在平面交會的路口，由於火車速度快、重量重、剎車不易，因此，
平交道設計是以火車通行時優先。早期的平交道有人值守，當火車將通過時，看守揮動紅旗或紅燈
示意所有車輛和行人停止，並使車輛和行人離開軌道。後來，引入了手動或電子的欄杆以擋住公路。
欄杆用於阻攔任何車輛和行人闖入鐵路。而現代除了車輛和行人流量大的平交道仍有人看守外，大
多已自動化運作而無人看守。
台灣鐵路約有 550 多處平交道，隨著鐵路高架或地下化逐年減少；在日本全國各地約有 3 萬多
處的平交道。美國鐵路是運輸大宗，平交道數目約十多萬個，隨處可見。
為防止車輛及行人闖越，有的平交道會安裝偵測器，在人車於柵欄放下後仍在平交道內時發出
聲響警告，並有緊急按鈕以在車輛卡在平交道無法移開時按鈕警告列車減速停車，但仍有此類事件
發生，多發生於繁忙有欄杆無人看守平交道，因此如車輛不幸被困，應該撞爛欄杆逃生。另外會裝
有自動照相機或監視器以告發闖平交道者。
在之前課程中，我們學會了許多種感測器與角度伺服馬達控制，現在讓我們以平交道這個主題，
來設計互動的學習情境。
12
89 90
組裝步驟
零 件 清 單
1 2 4 6 9 11 12 13
×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×4 ×1
15 20 24 30 36 50 51 52 54 55 58
×1 ×2 ×1 ×2 ×2 ×2 ×2 ×10 ×1 ×1 ×1
完成圖
0201
0605
03 04
07 08
91 92
1009
1413
11 12
程式執行
劃出柵欄的造型，定旋轉中心在左側。
將它裝在基座上，並且朝上 0 度。
在 Google 搜尋一個火車造型，最好是去背，的聲音檔也可以搜尋 sound effect 找火車聲WAV 檔。
畫一個平交道的背景。
搜尋平交道燈號圖檔，最好是去背的。
執行程式，按綠旗後，按【空白鍵】。你會看到奇妙的景象。電腦畫面的柵欄放下，我們的模型柵欄也放下，燈號也真實與螢幕同步。當火車經過，柵欄也會同步升起。
93 94
第 課想一想
請問程式中的柵欄與燈號是如何同步的？
動手 玩創意
1. 我們安裝了一個紅外線感測器，請改成停車場的柵欄控制，
進場時按下按鈕才會開啟，等車子進入並確實離開柵欄區後
才放下。出場時感應就開啟，5 秒鐘後放下。
2. 依先前的課程，讓我們挑戰更進一步的目標 :「當有人車受困
在平交道上，7 秒內按下緊急按鈕」，請問我們要如何修改程
式，完成目標呢？
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
四 足 行 走 機 器 人
知識小學堂
各位都看過人形機器人的影片吧！二足步行機器人可說是結合材料、結構、動力能源、感應、
控制步行原理等現代科技之大成的產物。但是對於初學者而言，想要重頭開始製作可能會出現無法
跨越的門檻。那讓我們從四足步行機器人開始，應用從之前學過的連桿機構，做出步行功能動作，
來帶動機器人前進、後退等運動。
四足步行的動作模式，在於左右腳運動模式錯開 180 度，以左後、右前同時向前。再右後、左
前向前的跨步模式。在組裝的過程與完成時可以仔細觀察。這一單元我們用藍齒輪傳動，利用藍齒
輪插銷孔作曲柄傳動，並用十字軸來調出 180 度的運動旋轉差角，是組裝過程要特別注意的地方，
還記得連桿的定義特色嗎？腳部的連桿都是需要轉動的【接點】，要使用鬆鬆的活動軸來連結。
在控制方面，使用 Arduino 感測板上的光敏元件作為判斷與啟動，並且練習四足行走的步行機
器人模型。
組裝步驟
零 件 清 單1 2 3 11 12 14 19 22
×1 ×1 ×1 ×2 ×2 ×6 ×1 ×1
24 29 30 40 44 48 49 51 58
×1 ×1 ×3 ×4 ×2 ×2 ×4 ×4 ×1
13
95 96
完成圖
0605
0201
03 04
1009
07 08
11 12
13
97 98
程式執行
設計 S4A 程式如下，本程式執行使用廣播功能，用不同物件來啟動正反轉功能，讓程式更有條理。
註 : 這是與先前可以共用的正反轉控制程式，按 會前後移動 5 次；
另外 ， 直接進或後退，按 停止。
設計 S4A 程式如下，按綠旗執行本程式，當用物體遮住光敏元件，Analog1 偵測值低於 750 成立時，四足行走機器人開始四足行走到光亮處。
註：需視執行環境光源，做適當的調整起動值。
想一想
為什麼四足行走機器人可以做出前進及後退的步行動作 ?
可以利用感測板上的其他感測器元件 ( 按鈕、麥克風、可變
電阻、光感測 )，改成其他感測方式控制的四足行走機器人。
動手 玩創意
1 2 3自我
評量
積木組裝完成 程式執行完成 創作完成
