臺灣博碩士論文加值系統

本研究所製作的「英語教學之服務型機器人」主要基於服務型機器人作為英語教學功用。機器人具有親近的人形立體外觀，能靠近學生與之互動，也能突破平面資訊的限制，應用較直觀的教學方法。使用於國小學童間進行語言教學，能增加使用對象學習動力、增加趣味性以及互動性。
　　本研究分為三部分(1)硬體架構:硬體電路連接、智慧型馬達特色與麥克納姆輪特色等。(2)軟體架構:ROS機器人系統、英語教學系統、手臂馬達控制與麥克納姆輪控制等。(3)進行英語實際教學試教，並以問券調查作為實驗成果與分析。機器人的高大約為100cm，與學童身高相仿，能更親近使用者；外殼為可拆式，能依不同場合容易變換外觀；具有4個活動度之雙手臂能使動作更活潑；頭部有一平板電腦作為英語教學之介面。硬體架構由鋁擠型支撐整體、四個麥克納姆輪固定在下方作為移動方式、ABS製成塑料外殼、AI馬達組合PLA材質之零組件製成雙機器手臂。主控制為樹莓派，使用Python語言，以機器人作業系統(ROS)為框架，主要控制麥克納姆輪之運動學移動方式、透過機械手臂運動學之末端點算出馬達軌跡路線並與平板之英語教學系統使用藍芽互相溝通，機器人也結合Android語音辨識系統，增加與人之間的互動，做出相關回答句子並做出相關動作。
　　本研究與雲林縣某國小合作並實際至國小進行機器人上課試教，對象為國小班級，教學內容為英語句子語調及發音會話練習。機器人可以做舉手姿態代表語調上升、放下姿態代表語調下降，於課後也能夠利用語音辨識系統練習。因此，能提升小孩學習興趣，也確實應用服務型機器人技術。

“The service robot for teaching English” is the main research in the paper, and based on service robots as English teaching function. The robot has a friendly humanoid appearance, not only close to and interact with students, but also break through the limitations of flat information, and apply more intuitive teaching methods. Using English teaching in primary school children can increase the motivation, interest and interaction of the target audience.
The study is divided into three major parts (1) Hardware architecture: hardware circuit connection, AI motor and Mecanum wheel. (2) Software architecture: ROS robot system, English teaching system, arm motor control and Mecanum wheel control. (3) Conducting practical teaching and teaching in English, and using the coupon investigation as the experimental result and analysis. The height of the robot is 100cm, and the hardware consists of aluminum extrusion, Four Mecanum wheels are fixed underneath as a mobile, plastic (APB) cover, The robot arm of the AI motor combined with the components of the PLA material. The main control is the Raspberry Pi. The robot operating system (ROS) is used as the operating system. Using the Python compiler, it mainly controls the kinematics movement of the Mecanum wheel; calculates the motor path by the end point of the kinematics of the robot arm; communicates with the tablet Android using the Bluetooth, and the robot also combines the Android speech recognition system. Increase interaction with people, make relevant answers to sentences and make relevant actions.
Finally, we cooperated with one of the elementary school in Taiwan to teach English for students with robot. And we got excellent feedback from the students, and they felt that it was interesting and experienced such a special class.

摘要......i
Abstract......ii
誌謝......iii
目錄......iv
表目錄......vi
圖目錄......vii
第1章 緒論......1
1.1 研究背景......1
1.2 研究動機......2
1.3 文獻探討......2
1.4 論文架構......4
第2章 系統架構......5
2.1 英語教學之服務型機器人硬體系統架構......5
2.1.1 主控制系統......7
2.1.2 英語教學系統與藍芽模組系統......8
2.1.3 馬達控制系統......10
2.1.4 全向輪控制系統......12
2.1.5 電池系統......15
2.2 英語教學之服務型機器人軟體系統架構......16
2.2.1 Ubuntu mate 16.04......16
2.2.2 Android Studio......17
2.2.3 Arduino Software IDE......18
第3章 研究內容......19
3.1 機器人系統手臂運動控制介紹......19
3.1.1 AI-馬達......19
3.1.2 開迴路、半閉迴路及完全型閉迴路定位系統......20
3.1.3 AI-馬達控制原理......22
3.1.4 AI馬達封包傳送格式......24
3.2 機器人系統輪部運動控制介紹......25
3.2.1 直流無刷馬達介紹[27,28]......25
3.2.2 直流無刷馬達控制原理......26
3.2.3 麥克納姆輪(全向輪)介紹......26
3.2.4 麥克納姆輪(全向輪)控制原理[29]......27
3.3 ROS(機器人操作系統)......31
3.3.1 ROS簡介[30]......31
3.3.2 ROS 的 Filesystem Level......31
3.3.3 ROS 的 Computation Graph Level......32
第4章 研究方法......34
4.1 機器人硬體設計......34
4.1.1 機器人機構設計......34
4.1.2 機器人架構......35
4.1.3 手臂與輪部馬達固定零組件......35
4.1.4 機器人外殼設計......37
4.1.5 馬達與機構實際安裝......38
4.2 機器人軟體設計......40
4.2.1 樹莓派之操作......40
4.2.2 樹莓派之連線......40
4.2.3 英語教學系統......41
4.2.4 藍芽串列傳輸系統......42
4.2.5 主控制器......42
4.2.6 全向輪訊號控制系統......43
4.3 機器人的動作方法......43
4.4.1 英語教學系統設計......44
4.4.2 動作資料庫規劃......44
4.4.3 教學資料庫規劃......44
第5章 實際成果與測試......45
5.1 機器人操作......45
5.1.1 英語教學系統之操作......45
5.1.2 英語教學系統......46
5.1.3 機器人動作測試......46
5.2 實際應用於英語教學......48
5.2.1 實際教學......48
5.2.2 教學成果與分析......49
第6章 結論與未來展望......56
6.1 結論......56
6.2 未來展望......56
參考文獻......57
Extended Abstract......59

[1]服務型機器人關鍵報告出爐！這八個議題攸關台灣產業競爭力，2018年，摘自
http://www.stufftaiwan.com/2018/11/20/
[2]2018 IEKTopics｜服務型機器人實踐 智慧化服務應用願景，2018年，摘自
http://ieknet.iek.org.tw/iekrpt/rpt_more.aspx?indu_idno=0&domain=0&rpt_idno=651206019
[3]推廣Pepper機器人半年，沛博科技：台灣環境還有很大的進步空間，2017年，摘自
https://www.bnext.com.tw/article/44200/pepper-robot-did-not-go-well-on-b2b-market-in-taiwan
[4]SoftBank Pepper robot “astonishingly insecure”, potential “cyber weapon”，2018，摘自
https://internetofbusiness.com/softbank-pepper-robot-astonishingly-insecure-and-a-cyber-weapon/
[5]從工廠走入人群-看看什麼是「服務型機器人」，2016年，摘自
https://www.stockfeel.com.tw/
[6]Fumihide Tanaka, Toshimitsu Takahashi, Shizuko Matsuzoe, Nao Tazawa, Masahiko Morita,1992, Telepresence Robot Helps Children in Communicating,
[7]Svetlana Yarosh, Kori Inkpen, and A.J. Bernheim Brush. Video playdate: toward free play across distance. In Proceedings of the 28th International Conference on Human factors in Computing Systems, pages 1251–1260, Atlanta, USA, 2010. ACM.
[8]J. Han and D. Kim, “r-Learning services for elementary school students with a teaching assistant robot”, in Proc. 4th ACM/IEEE international conference on Human robot interaction, pp. 255.256. ACM Press, New York (2005)
[9]Osada J. (2005). Scenario design for children care robot, Papero. Proceedings of Robot Design Forum, 29-36, November 4, Daejeon, Korea.
[10]Han J. h. (2010). Robot-Aided Learning and r-Learning Services, Human-Robot Interaction, Daisuke Chugo (Ed.), ISBN: 978-953-307-051-3, InTech, Available from
[11]Barry Arthur Charles Dean. (2014). How does the use of the Tablet PC contribute to teaching and learning goals in the secondary classroom ?, A thesis submitted for the degree of Master of Philosophy, The University of Queensland.
[12]Rateeba Algoufi. (2016). Using Tablet on Education, Education Department, Northern Illinois University, Dekalb, USA
[13]T. Kanda, T. Hirano, and D. Eaton, “Interactive robots as social partners and peer tutors for children: A field trial”, Human-Computer.10
[14]Saranli, U., Buehler, M., Koditschek, D.E. “RHex: A Simple and Highly Mobile Hexapod Robot,” The International Journal of Robotics Research, 20 (7), pp. 616-631,2001.
[15]陳振銘，2013，“多功能英語教學機器人之研發與應用”，國立虎尾科技大學電子工程系碩士論文。
[16]J. Han and D. Kim, “r-Learning services for elementary school students with a teaching assistant robot”, in Proc. 4th ACM/IEEE international conference on Human robot interaction, pp. 255.256. ACM Press, New York (2005)
[17]Zhen-Jia You, Chi-Yuh Shen, Chih-Wei Chang, Baw-Jhiune Liu, Gwo-Dong Chen, 2006, A Robot as a Teaching Assistant in an English Class, Sixth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT'06), ISBN: 0-7695-2632-2, Kerkrade, Netherlands
[18]Raspberry Pi 3 Model B，2019年，摘自
https://www.raspberrypi.com.tw/10684/55/
[19]ASUS ZenPad 3S 10 (Z500M)，2019年，摘自
https://www.asus.com/tw/Tablets/ASUS-ZenPad-3S-10-Z500M/
[20]RS232-TTL，2019年，摘自
http://shop.cpu.com.tw/product/47781/info/
[21]Motion ControllersSeries MCBL 3006 S
https://www.faulhaber.com/fileadmin/Import/Media/EN_MCBL3006S_V2-5_DFF.pdf
[22]Ubuntu-mate，2019年，摘自
https://ubuntu-mate.org/
[23]ROS 略談與基本安裝步驟，2019年，摘自
https://charlyhuangrostutorial.wordpress.com/2015/06/27/ ROS略談與基本安裝步驟/
[24]Android Studio，2019年，摘自
https://developer.android.com/studio
[25]Arduino ，2019年，摘自
https://www.arduino.cc/
[26]MPLAB IDE，2017年，摘自
http://www.microchip.com/mplab/mplab-x-ide
[27]永磁無刷馬達控制，2019年，摘自
https://lutron1980.pixnet.net/blog/post/28425129-永磁無刷馬達控制
[28]「何謂DC無刷馬達？」
https://www.orientalmotor.com.tw/teruyo_det/teruyo_28/
[29]黃冠璋、蔡坤霖、黃宇中(民106)，全向輪高階控制方法的開發
[30]機器人作業系統，2019年，摘自
https://zh.wikipedia.org/wiki/機器人作業系統
[31]ROS，2019，摘自
https://www.ros.org/
[32]胡成浩，2017，“英語教學基於遠端代理機器人系統”，國立虎尾科技大學電子工程系碩士論文。