《機器人學 🤖 —— AI 的身體與行動》5/100 硬體組成:感測器、執行器與驅動系統 ⚙️ 動作的肌肉與眼睛!

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🚀 AI時代系列 (4) -《機器人學 🤖 —— AI 的身體與行動》


5/100 📌 第 1 周:機器人學導論(10單元)


5.硬體組成:感測器、執行器與驅動系統 ⚙️ 動作的肌肉與眼睛!


單元標題:


⚙️ 硬體組成:感測器、執行器與驅動系統 —— 動作的肌肉與眼睛!

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一、機器人的身體構成核心


硬體是機器人的「身體」,軟體與 AI 是機器人的「大腦」。


在硬體層面,機器人主要由三大關鍵子系統組成:

1️⃣ 感測器(Sensors) — 機器人的感官系統

2️⃣ 執行器(Actuators) — 機器人的肌肉系統

3️⃣ 驅動系統(Drive Systems) — 動力與運動傳遞核心

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二、感測器(Sensors):讓機器人看見、聽見、感受世界


機器人感測器依感知類別可分為多種型態,各自扮演關鍵角色:在視覺感知方面,透過攝影機、立體相機、LiDAR 與 ToF 感測器,機器人能擷取影像、深度資訊並進行環境建圖;聽覺感知則仰賴麥克風陣列收集語音與聲音環境,用於語音辨識與互動;觸覺感知藉由力覺感測器與壓力板感應碰觸與施力情形,提升對物理接觸的敏感度;位置感知方面,則運用 GPS、IMU、陀螺儀與加速度計等裝置掌握機器人的空間位置、姿態與動作狀態;此外,還有針對環境參數的感測器,如溫度、濕度、氣體與紅外線裝置,幫助機器人因應各類環境變化,實現更全面的智慧感知。

AI 深度應用

影像辨識

物件追蹤

語音辨識

SLAM(同步定位與建圖)

________________________________________

三、執行器(Actuators):讓機器人能精準動作

執行器是機器人行動系統的關鍵元件,依不同應用情境可分為多種類型:**馬達(Motor)**廣泛應用於各種機械動作,具有精度高、反應快的特性;**伺服馬達(Servo Motor)**適用於需精準角度控制的場景,能進行高精度定位;步進馬達(Stepper Motor)則適合需要分段移動的任務,具有定位穩定、成本低的優勢;液壓執行器專為重載作業設計,具備強大推力,但體積較大;而氣壓執行器則適用於輕型與快速動作,操作靈活且控制簡便。各種執行器的選用取決於任務需求、操作精度與現場環境條件。

AI 深度應用

學習型控制(Learning-based Control)

動作優化(Optimal Motion Planning)

________________________________________

四、驅動系統(Drive Systems):讓機器人行走、移動、轉向

機器人的移動方式依驅動技術可分為多種型態,適應不同作業環境與任務需求:輪型驅動適用於平坦地面,具備高速與高效移動特性,常見於 AGV 自動搬運車與無人車;履帶驅動則能應對崎嶇或不平整地形,廣泛應用於戰地探勘與災害搜救任務;多足驅動如六足或四足機器人,具備優越的地形適應能力,能在複雜環境中穩定行走;飛行驅動可於空中執行任務,無人機(UAV)即是代表,適用於空拍、巡檢與物流;而水下驅動則專為海洋作業設計,用於深海探測與水下作業,如潛水艇與自主水下載具。不同驅動方式展現出機器人面對多元場域的行動潛能。

AI 深度應用

動態穩定控制

即時避障

自主導航

姿態優化

________________________________________

五、整體硬體整合的挑戰

感測、控制、機械結構必須緊密整合

感測器的延遲與誤差影響行動精度

執行器控制需要配合 AI 決策即時調整

驅動系統設計決定機器人行動範圍與應用場景

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六、機器人硬體架構總覽圖


┌─────────────────────┐

│ 感測系統 Sensor │◄───輸入環境資訊

└────────┬────────────┘

┌────────▼─────────┐

│ 控制系統 │ ← 中樞大腦 (含MCU、CPU、AI晶片等)

│ Controller/CPU │

└────────┬─────────┘

┌───────────────┼────────────────┐

▼ ▼ ▼

│ 電源系統 │ │ 通訊模組 │ │ 演算法模組/AI推論 │

│ Power Unit │ │ Communication│ │ AI Algorithms │

│ │

▼ ▼

┌────────────────────────────┐

│ 執行器 Actuator│◄───動作輸出 (馬達、液壓、氣壓等)

└────────┬───────────┬───────┘

▼ ▼

┌────────────┐ ┌────────────┐

│ 馬達系統 │ │ 操作工具末端 │

│ Motors │ │ End-Effector │

└────────────┘ └────────────┘

機器人由感測系統(如相機、雷達、IMU、超音波)負責蒐集環境與自身狀態資訊,透過控制系統(如主控板、微處理器)進行整體協調與運算,並結合演算法模組(如路徑規劃、深度學習、強化學習)進行決策推理;通訊模組(如Wi-Fi、藍牙、CAN bus)則確保內外資料交換順暢;電源系統(如鋰電池)提供穩定能量;最終由執行器(馬達、伺服、液壓、氣壓)將指令轉為動作,透過操作工具末端(如機械手爪、焊接頭)執行具體任務,完成機器人的智慧行動。

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📝 單元小測驗

1️⃣ 執行器與驅動系統的差別是什麼?

🔹 執行器(Actuator) 是將電能、液壓或氣壓等轉化為實際機械動作的裝置,如馬達、液壓缸等,直接負責產生機械運動。

🔹 驅動系統(Drive System) 則是更大的整合系統,包含了執行器、驅動控制器、傳動機構(如齒輪、鏈條)等,用來協助機器人移動或驅動特定部位。

✅ 簡單對比:

執行器:動作來源。

驅動系統:整體動作傳遞與控制架構。

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2️⃣ 請列出三種感測器,並說明它們的應用情境。

感測器是機器人感知環境的關鍵元件,例如**相機(Camera)**可捕捉影像資訊,用於物體辨識與環境感知,常見於自動駕駛車與工業視覺檢測系統;**超音波感測器(Ultrasonic)透過發射與接收聲波來量測距離,廣泛應用於障礙物偵測與自走車導航;而IMU(慣性測量單元)**則能偵測加速度與角速度,是平衡機器人與無人機姿態控制的重要工具,幫助機器人維持穩定運動。

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3️⃣ 履帶式與多足型驅動系統各適用於什麼場景?

🔸 履帶式驅動(Tracked Drive):

適合不平整、泥濘、沙地等複雜地形,如軍事探勘車、災害搜救機器人,具備良好的地面適應性與穩定性。

🔸 多足型驅動(Legged Drive,如四足、六足):

適合崎嶇、階梯、岩石等極端地形,模仿動物步態,應用於太空探測、山區搜尋與救援機器人,具有高度靈活性與機動性。

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🌟 小結關鍵詞:

感測器 ➔ 眼睛與耳朵,執行器 ➔ 肌肉,驅動系統 ➔ 移動核心,AI ➔ 智慧中樞。

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