MCU打造機器人應用技術基礎

Roomba為針對環境清潔目的設計的任務型服務機器人，外型以低矮設計適合穿越家具底部的設計型態，解決室內清掃的麻煩事。iRobot

傳統機器人多使用於取代人力的生產自動化應用，有的只是設置於定點的自動化機械手臂，利用精確伺服馬達定位、與高速之自動控制發揮應用效益，但現在機器人不只用於工廠的量產用途，在家庭或特殊應用場合，也可利用低成本的MCU架構出不同使用需求的機器人應用產品，利用科技整合改善使用者生活...

利用機器人輔助或改善生活日常活動，目前已成為相當常見的科技應用，尤其在現今社會少子化與人口老化的人口結構改變下，居家使用之服務型機器人使用需求漸增，而這類型的整合產品，設計重點並不在機器人運作的高度精確與人工智能，反而是利用低成本的MCU(Microcontroller Unit)搭配感測元件與整合電子電路設計，針對特定用途需求設計的自動化設備，透過機器人的輔助來改善日常生活。

使用低成本MCU 建構機器人控制基礎

而MCU即微控制器，早期MCU大量用於汽車電子產業需求，雖然迄今汽車仍是MCU最大宗的應用領域之一，但另外，MCU也用於各式家電、工業生產應用，甚至用於整合遠端控制應用、馬達控制、太陽能逆變器等豐富應用中。而所謂的MCU即是個具體而微的電腦系統，在元件端已整合CPU、RAM、ROM、I/O或其他特殊應用的整合功能。

由於MCU等於是具體而微的小電腦系統，加上應用成本相當低，既然是電腦，即可衍生許多應用，整合相關控制迴路可用於實踐家電自動控制、教育娛樂應用、車用電子應用等智慧化應用需求，而根據內置的「處理器」性能差異，MCU還可再細分為8、16、32位元產品，越高階的元件在成本也會相對較高。

對於開發機器人型態的電子產品來說，機器人的動作精度並不需要如同產線的自動化設備，需講求高度精度的作動定位設計，反而是設計方案要朝向「低成本」的角度進行思考，讓終端產品產製與通路價格能大幅壓縮，達到一般家庭都能買得起的水準，才能達到開發家用機器人的初期產品設計目標，有了這些基本觀念，後續討論家用機器人設計與開發就更能抓到重點。

服務型、任務型機器人 已有家電廠商投入開發

相較強調高精密度、高速運行的自動化設備，服務型機器人對於處理動作的精確度相對較差，但對於居家服務型態而言已具備一定程度的實用性。在居家型機器人方面，目前的發展重心仍以日本相關研究較為前衛，因為日本人口老化的趨勢較明顯，已有不少家電業者投入相關應用，尤其在老人照護應用方面，日本市場的服務型機器人已能做到基本照護應用，可能搭配少許使用者自行控制來改善年齡老化不便處理的日常居家活動，常見的產品有打掃與清潔環境衛生的機器人，也有協助病患臥床者的輔助機器人產品。

另一方面，針對服務型機器人設計方案，目前的設計趨勢並不會朝向一機萬用的方向進行考量，尤其是擬人化的機器人設計，雖然可以直覺地利用自動控制搭配人工智慧取代原有照護者的相關行為與動作，但實際上擬人型態的機器人設計不僅在機構上複雜度偏高，針對機器人行走、平衡的設計方案更為複雜，這些關鍵限制都會讓居家服務型機器人的成本因此提高，進而造成市場導入的門檻墊高。

擬人型態機器人成本過高 以任務導向控制成本

可行的設計方向是將預期改善的服務行為先進行歸納，整合幾個常見的應用服務，再針對該項應用服務開發任務型的服務機器人，而任務型的服務機器人在沒有擬人型態的設計限制包袱下，可利用更務實的移動基座方案，進行服務動作操作的互動設計，也可以採行更簡單的機械手臂設計，而不用一昧為了仿效人體而墊高開發難度與應用方案的導入成本。

在任務型的服務機器人方面，除居家照料外，也可進一步發展一般人類不容易處理、或較難找人手投入的高危險性工作任務機器人，例如，針對未爆彈處理的拆彈用機器人、危險區域探勘的機器人、甚至是消防安全的救災用機器人、鎮暴用機器人等任務型產品，都可由服務型機器人再延伸發展產品，針對任務進行的適用性機構設計改善，也會比擬人型的服務機器人產品更具使用效率，同時也能滿足低成本的設計需求。

娛樂型機器人 終端售價是關鍵問題

除了任務導向的服務型機器人外，另一個設計趨勢是朝「娛樂」方向著手，針對娛樂型機器人來說，反而較家用的服務型機器人有更低的入門門檻！因為娛樂型機器人可以最簡化到如「電子寵物」產品，或利用簡單的機械結構搭配人工智慧系統，架構而成的電子玩伴型機器人。在電子寵物產品方面，是2000年前後即大行其道的產品設計，例如早期的電子雞產品，就是相當簡單的人工智能與互動型娛樂機器人的實踐方案之一。

在電子雞時代的電子寵物產品，當時可說是紅極一時的電子玩具，而後續發展的更高度人工智慧產品，乃以人工智能基礎追加更豐富的人機互動設計方案，2007年紅極一時的PLEO電子小恐龍就是相當有趣的案例。但發展電子寵物的關鍵，仍在於如何將設計與製造成本壓低。PLEO電子恐龍推出之時雖然一度造成熱賣，但在熱潮過後，市場與民眾即仔細檢視電子寵物的價格與其可產生的價值，對於動輒超過100美元的高單價玩具，實在不容易以「玩具」的類型產品進入家庭。

為了改善電子寵物單價過高、附加價值較低的產品問題，漸漸也出現了結合「教育」設計應用的娛樂型機器人應用產品，反觀僅有娛樂應用的高整合度、高AI設計的電子寵物，教育型的電子寵物則可以附帶學齡前與學齡中的教育應用內容，讓遊戲中也可透過電子寵物互動得到較電子寵物缺乏的附加教育價值。

而不管是服務型、娛樂型、還是居家照護型機器人產品，其設計核心與互動基礎，大多要藉由MCU進一步組建解決工作任務的應用方案，基本上可利用模組化的結構設計搭配大量的MCU，進行機器人的手臂、功能應用的動作執行，而MCU越多也代表著控制功能、動作可以做得更細緻，但相對成本也會因此增加。

以PLEO小恐龍電子寵物玩具為例，第一代PLEO小恐龍僅使用1個Freescale Semiconductor 8位元MCU，第二代產品Mino，則將原有的1個MCU改成了5顆8位元MCU，不僅動作、反應更能達到類寵物的應用水準，而新一代產品也多了更多學習模式應用功能。