生活中的科學EP16-仿生鳥
大家好我是浣熊老師，還記得在生活中的科學EP13中，我們分享了一個以重力為動力的仿生獸嗎？只要把它放在斜坡上，就能夠一步一步走下來了！今天浣熊老師要帶大家使用#1409-CN 機器人工作坊-micro:bit編程組的零件來創造一隻仿生鳥，你可以使用程式讓它進行移動或是拍打翅膀，甚至能夠讓鳥喙進行開合唷！
現在就讓浣熊老師一步步教大家如何製作吧！
◆ 組裝步驟
第一步我們要來做仿生鳥的身體，需要使用到5×10孔長方框、3孔超長條、栓扣鍵、短紙卡固定鍵以及20mm軸扣鍵(圖一)，將零件依照圖示結合在5×10孔長方框上，完成部件A以及部件B的製作(圖二)。
第二步要安裝用於帶動雙腳的馬達，需要使用到50倍行星齒輪馬達盒、20T齒輪、3孔圓角長條、30mmⅡ軸以及短結合鍵(圖三)，依照圖示將它們組裝成部件C(圖四)。
接著依照圖示將部件C安裝在部件A以及部件B之間，完成50倍行星齒輪馬達盒與身體的安裝(圖五)。
第三步要使用齒輪組將馬達的動力延伸出來，需要使用到60T齒輪、4孔40T齒輪、塑膠墊片M8*16以及70mmⅡ軸(圖六)，依照圖示將零件結合在身體上(圖七)。
在完成齒輪組的安裝後，需確保4孔40T齒輪與50倍行星齒輪馬達盒上的20T齒輪能夠彼此嚙合(圖八)，才能將50倍行星齒輪馬達盒的動力傳遞到60T齒輪上。
第四步我們要來做用於支撐身體的尾羽，需要使用到40T輪毂、35mmⅡ軸、30mm軸扣鍵、3孔圓角長條、2凸3孔90度結合器、5孔超長條底無孔、9孔長條側有孔以及短結合鍵(圖九)，依照圖示將零件結合，完成部件D的製作(圖十)。
接著將部件D安裝在50倍行星齒輪馬達盒的後方，完成尾羽以及身體的結合(圖十一)。
第五步我們要將micro:bit 智能主控盒固定在尾羽以及身體上，需要使用到9孔長條、30mm軸扣鍵、3孔圓角長條、栓扣鍵以及短結合鍵(圖十二)，依照圖示將零件結合，完成兩個部件E的製作(圖十三)。
接著依照圖示將micro:bit 智能主控盒與部件D的30mm軸扣鍵結合(圖十四)，並使用兩個部件E進行加固，完成micro:bit 智能主控盒與尾羽、身體的結合(圖十五)。
第六步我們要來做仿生鳥的雙腿，需要使用到11孔長條、7孔圓角扁長條、3孔圓角長條、5孔超長條Ⅱ、5孔超長條底無孔、20mm軸扣鍵、栓扣鍵以及短結合鍵(圖十六)，依照圖示將零件結合，完成部件F以及部件G的製作(圖十七)。
再來我們要做的是鳥爪的結構，需要使用到3孔1/4弧長條、5孔超長條Ⅱ、2凸單孔轉向結合器、栓扣鍵以及短結合鍵(圖十八)，依照圖示將零件結合，完成兩個部件H的製作(圖十九)。
接著依照圖示將兩個部件H分別安裝在部件F以及部件G的下方，這樣仿生鳥的左腳(部件F)與右腳(部件G)就完成啦(圖二十)。
第七步要將仿生鳥的雙腿固定在身體上，首先依照圖示將部件F以及部件G安裝在20mm軸扣鍵上(圖二一)，在安裝時需要留意20mm軸扣鍵的位置是否正確，否則仿生鳥便無法順利進行移動囉。
接著我們會需要兩個30mmⅡ軸(圖二二)，用於連接身體上的60T齒輪以及雙腿的連桿，依照圖示將30mmⅡ軸穿過雙腿上的連桿，並插入60T齒輪的孔洞當中(圖二三)。
在完成雙腿連桿的安裝後，需要檢查30mmⅡ軸兩邊的位置，只有在30mmⅡ軸為一高一低時(圖二四)，才能產生最好的移動效果，若是發現組裝的位置錯誤，可以將60T齒輪重新安裝，確認位置正確後再進行連桿以及30mmⅡ軸的組裝。
第八步我們要來做仿生鳥的雙翅，需要使用到11孔長條、9孔長條、7孔圓角長條、5孔長條Ⅱ以及30mm 栓釘鍵(圖二五)，依照圖示將零件結合，完成兩個部件I的製作(圖二六)。
接著要在雙翅安裝連桿，需要使用到5孔長條Ⅱ以及20mm 軸扣鍵(圖二七)，依照圖示將零件安裝在部件I上，完成兩個部件J的製作(圖二八)。
第九步我們要來做翅膀基座，需要使用到20T齒輪、4孔40T齒輪、9孔長條側有孔、3孔超長條、30mmⅡ軸、5×5孔正方框Ⅱ、栓扣鍵以及短結合鍵(圖二九)，依照圖示將零件結合，完成部件K的製作。在組裝時，需要確認兩個4孔40T齒輪上的孔洞位置是否正確(圖三十)。
接著要依照圖示將部件J的20mm 軸扣鍵安裝在部件K上，完成雙翅以及翅膀基座的固定(圖三一)。
第十步要安裝用於帶動雙翅的馬達，需要使用到5×5孔正方框Ⅱ、20T齒輪、35mmⅡ軸、30mmⅡ軸、短結合鍵以及50倍行星齒輪馬達盒(圖三二)，首先依照圖示將短結合鍵以及35mmⅡ軸安裝在50倍行星齒輪馬達盒上，接著再放上裝有30mmⅡ軸以及20T齒輪的5×5孔正方框Ⅱ，最後再將一個20T齒輪插入35mmⅡ軸，完成部件L的製作(圖三三)。
在完成部件L的安裝後，需要確保30mmⅡ軸以及35mmⅡ軸上的兩個20T齒輪能夠彼此嚙合(圖三四)
接著要依照圖示將部件L安裝在部件K上，同樣需確保部件L以及部件K上的20T齒輪能夠彼此嚙合(圖三五)，完成雙翅的動力機構。
最後要將部件K安裝在身體上方(圖三六)，完成翅膀基座以及身體的固定(圖三七)。
第十一步我們要來做仿生鳥的頭部，需要使用到5×5孔正方框Ⅱ、180度角度伺服馬達、3孔超長條、20mm軸扣鍵以及栓扣鍵(圖三八)，依照圖示將零件結合，完成部件M的製作(圖三九)。
接著要做的是仿生鳥的鳥喙，需要使用到9孔長條側有孔、11孔長條、2凸3孔90度結合器、30mm 栓釘鍵以及栓扣鍵(圖四十)，依照圖示將零件結合，完成部件N以及部件O的製作(圖四一)。
最後要依照圖示分別將部件N以及部件O安裝在部件M上(圖四二)，完成鳥喙的上半部(部件N)以及下半部(部件O)。
第十二步我們要來做仿生鳥的脖子，並對頭部進行加固，需要使用到5×5孔正方框Ⅱ、7孔圓角長條、栓扣鍵、4孔40T齒輪以及20mm軸扣鍵(圖四三)，依照圖示將零件結合，完成部件P、兩個部件Q以及部件R的製作(圖四四)。
接著依照圖示分別將部件P以及部件R安裝在部件M上(圖四五)，完成頭部的加固，並將兩個部件Q安裝在頭部的下方，完成脖子的製作(圖四六)。
第十三步我們要來做仿生鳥的眼睛，需要使用到40T輪毂、20T齒輪以及150mmⅠ軸(圖四七)，依照圖示將150mmⅠ軸插入頭部，並安裝40T輪毂以及20T齒輪，完成眼睛的製作(圖四八)。
第十四步我們要來連接仿生鳥的脖子與身體，依照圖示將部件Q分別固定在身體的兩個栓扣鍵上(圖四九)，完成脖子與身體的結合。
第十五步我們要來安裝50倍行星齒輪馬達盒以及180度角度伺服馬達的接頭，首先找到部件C用於控制仿生鳥雙腳的50倍行星齒輪馬達盒，並依照圖示將它的接頭安裝在micro:bit 智能主控盒的腳位A上(圖五十)。
接著找到部件L用於控制仿生鳥雙翅的50倍行星齒輪馬達盒，並依照圖示將它的接頭安裝在micro:bit 智能主控盒的腳位B上(圖五一)。
最後找到部件M用於控制仿生鳥鳥喙的180度角度伺服馬達，並依照圖示將它的接頭安裝在micro:bit 智能主控盒的腳位0上(圖五二)。
如此一來就完成仿生鳥的製作囉(圖五三)，現在就讓我們一起來進行程式的編寫吧！
◆ 程式編寫
在編寫程式前，要先請大家進入下列的雲端資料夾，將"仿生鳥範例程式"的檔案下載至電腦，並透過micro:bit程式編輯網頁來匯入仿生鳥的範例程式。
當我們成功匯入後，便能夠看到五段程式方塊(圖五四、五五)，相關的程式說明如下：
1. 馬達A用於帶動仿生鳥的雙腳、馬達B用於帶動仿生鳥的翅膀，而180度角度伺服馬達則用於帶動仿生鳥的鳥喙。當啟動時，將馬達A和馬達B的速度設為0，防止馬達意外運轉啟動仿生鳥，並將180度角度伺服馬達的角度設為100度，確保鳥喙為閉合的狀態。翅膀與雙腳的變數則是設為0，這兩個變數能夠用於判斷是否該啟動馬達A和馬達B。
2. 當按下按鈕B時能夠啟動仿生鳥的雙翅，將翅膀的變數設為1，並讓馬達B以15的馬力進行轉動，仿生鳥便會開始擺動雙翅；當我們再次按下按鈕B時，翅膀的變數會重新設回0，並關閉馬達B，仿生鳥便會停止擺動雙翅。
3. 當按下按鈕A時能夠啟動仿生鳥的雙腳，將雙腳的變數設為1，並讓馬達A以30的馬力進行轉動，仿生鳥便會開始移動雙腳；當我們再次按下按鈕A時，雙腳的變數會重新設回0，並關閉馬達A，仿生鳥便會停止移動雙腳。
4. 當同時按下按鈕A和按鈕B時能夠啟動仿生鳥的雙腳與雙翅，將雙腳與雙翅的變數設為1，並讓馬達A和馬達B分別以30和15的馬力進行轉動，仿生鳥便會開始擺動雙腳與雙翅；當我們再次同時按下按鈕A和按鈕B時，雙腳與雙翅的變數會重新設回0，並關閉馬達A和馬達B，仿生鳥便會停止移動雙腳與雙翅。
5. 最後要使用雙腳與雙翅的變數來控制鳥喙，只要雙腳或雙翅有進行擺動，鳥喙便也能同步進行開合，當雙腳和雙翅都停止擺動時，鳥喙則會維持閉合。
◆ 模型操作
現在就讓我們來操作仿生鳥吧！如同程式所設計的，當按下按鈕B時能夠讓仿生鳥擺動雙翅與鳥喙，再次按下則是關閉雙翅與鳥喙(影片一)；當按下按鈕A時能夠讓仿生鳥擺動雙腳與鳥喙，再次按下則是關閉雙腳與鳥喙(影片二)。當同時按下按鈕A和按鈕B時能夠讓仿生鳥擺動雙翅、雙腳與鳥喙；再次同時按下則是關閉雙翅、雙腳與鳥喙(影片三)。
◆ 問題排除
若仿生鳥的雙腳無法順利進行移動時，可以參考下列解決方法：
1. 檢查雙腳的連桿機構以及30mmⅡ軸的位置是否安裝正確(參考第六步)。
2. 檢查雙腳在運作時是否會與其他零件相撞，影響到連桿的運作效果。
3. 選擇在摩擦力較大的平面上啟動仿生鳥，當仿生鳥在過度光滑的地面上移動時，會因為摩擦力不足產生打滑，影響到移動的效果。
4. 調整程式，增加馬達A的速度。
若仿生鳥的雙翅無法順利進行擺動時，可以參考下列解決方法：
1. 檢查雙翅的連桿機構是否安裝正確。
2. 檢查雙翅在運作時是否會與其他零件相撞(尤其是脖子和頭部)，影響到連桿的運作效果。
3. 調整程式，增加馬達B的速度。
◆結語
透過這次所製作的仿生鳥模型，我們應用到程式語言中輸入端與輸出端的概念。輸入端指的是從外界接收資料的途徑，如電腦的鍵盤、滑鼠等，仿生鳥的輸入端為按鈕A和按鈕B，透過按壓按鈕的方式來接受指令；輸出端則是將結果或資訊傳遞到外界的方式，如電腦的螢幕、喇叭等，仿生鳥的輸出端為馬達與180度角度伺服，能夠表現出展翅、移動以及鳥喙的開合。
關於輸入端以及輸出端的應用還有很多，如果想要一一體驗的話，不妨參考智高的#1409-CN 機器人工作坊-micro:bit編程組，你可以透過各式各樣的感測器以及馬達創作出許多有趣的模型，同時學到相關的程式語言概念唷！今天的分享就到這邊，喜歡這篇文章的話記得幫浣熊老師大力分享出去，我們下次見囉，拜拜！
◆科學原理：
仿生鳥模型使用到了連桿的機構，連桿主要由力臂(各種長條)以及可活動的支點(軸扣鍵)組成，能夠將馬達的旋轉動作轉換成具有規律性的往復運動(影片三)，仿生鳥雙腳邁出步伐的效果以及雙翅的上下擺動便是其應用之一。當我們稍微改變力臂與支點的位置時，甚至能夠產生截然不同的動作，試著實驗看看，你有辦法運用不同的連桿組合，創造出其他的仿生獸嗎？
◆課綱參考：
INb-Ⅲ-3 物質表面的構造與性質不同，其可產生的摩擦力不同；摩擦力會影響物體運動的情形。
Eb-Ⅳ-1 力能引發物體的移動或轉動。
Eb-Ⅳ-2 力矩會改變物體的轉動，槓桿是力矩的作用。
Eb-Ⅳ-8 簡單機械，例如：槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面 等，通常具有省時、省力，或者是改變作用力方向等功能。
◆參考資料：
維基媒體專案貢獻者
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