搖頭擺尾機器人

重心移轉之運用

製作：黃兆民

前言

想一下曾經看過的機器人，有沒有機器人是用兩隻腳來行走的呢? 是不是除了在電影、卡通之外，現實生活中很難發現用兩隻腳走路的機器人。兩足機器人的研究，也是直到近年才由日本的HONDA公司成功開發出較具實用性的二足機器人，即大名鼎鼎的「阿西莫」是也，號稱世界上唯一用兩隻腳行走的機器人。

對於人類來說，兩隻腳來行走是在自然不過的事了。但是機器人可沒有如人類一般複雜靈巧的肌肉系統。簡單來說，二足機器人面對的首要問題就是「重心轉換」。

什麼是「重心轉換」?舉個例子來說，大家一定知道這個現象：將一本書放置在桌上，如果書本的重心在桌子以內，書本就能安穩的擺在桌上(如圖1(a))；反之，如果書的重心位在桌子之外，可以想見書本一定馬上便摔到桌子底下囉(如圖1(c))。

同樣的道理，機器人的重心必須位在由腳所構成的支承內才可以達到穩定的平衡。 下圖2(a)乃機器人雙腳站立時，重心是落在兩隻腳構成的支承中間，故可以安穩的站立；但是當機器人舉起腳準備跨步走出一步時，如果他沒有改變重心的位置，可以見到就如下圖2(b)一般，重心此時並沒有落在支撐的腳掌之內，就跟上面書本的例子一樣是會跌倒的。因此我們得到結論：機器人在舉腳跨步時，重心必須往旁邊移到支撐的腳上，才能安穩的抬起腳來(一個可行的方式如下圖2(c))。這就是所謂的「重心轉換」！

重心的轉換

筆者做的這隻二足機械怪獸，設計上RCX佔了整體重量大部分的比重，藉由擺動RCX的方式將重心移到支撐腳上，達到重心轉換的目的。當然在兩邊的肩膀裝置了觸碰感應器，來偵測RCX是否到定位。

機器人的動作流程

機器人的腿部設計

機器人腳的設計如下圖4所示，腳裝置在兩個同樣大小的齒輪上，兩個齒輪再由一較小的齒輪連接。

重點是腳必須裝在兩顆齒輪相對應的洞上，否則齒輪一動起來洞與洞的相對位置很快就跑掉了。(建議你可以實際仿造圖4.拼出一個雛形，轉動齒輪實驗一下很快便會了解了)  我們再從圖4.或者從你手上做出來的實驗品觀察，可以發現這種腳的設計走一步的距離便是一顆齒輪的直徑。如果你將圖4的24齒正齒輪改成40齒正齒輪，沒有疑問的機器人會有更大的步伐距離。  這個設計還有個特別的地方就是他的腳始終會保持垂直地面，有個好處是減少了一些地面反作用力造成的力矩。

機器人的尾巴

會動的尾巴本來只是為了有趣而做的裝飾品， 最後卻意外發現有讓機器人轉彎的功用(重心在左腳時尾巴動，機器人會左轉；重心在右腳時尾巴動，機器人會右轉)。

尾巴機構為曲柄與第三類槓桿的搭配，類似動力機械的汽車雨刷，如圖5。

影片(檔案格式：QUICK TIME)

程式

下面是這隻二足機器人程式主要架構的部分：