由星際大戰系列電影帶來的機器人動力啟示
2015/12/07-陳彥志
自1977年以來，影迷口耳相傳的好萊塢經典科幻大片《星際大戰七部曲：原力覺醒》(Star Wars: The Force Awakens)即將於年底上映。這次影片將會推出現新的機器人角色「BB-8」，令人訝異的是它不但沒有腳，連一個輪子都沒有，只剩下圓滾滾的身體與半球狀頭部形成一個8字形的極簡設計，這也是BB-8命名的由來。
值得注意的是，BB-8可不是由電腦特效合成而來，而是一個活生生的機器人，比起的前輩們C-3PO、R2-D2，吸睛指數不遑多讓。在機器人的科技發展中，移動能力幾乎是各大研究機構評比科技實力的重點項目，而C-3PO、R2-D2、BB-8便各自代表了不同的移動類型。
當中C-3PO與人類的外觀極度相近，簡直是人類的翻版，有頭、臉、一雙手、兩隻腳，可以完成複雜的動作。R2-D2則是類似猩猩，有兩隻手臂抵在地面，外加R2-D2身體底部的軸心，總共就有三個支點，在行進過程中很容易維持平衡。
相較之下球狀的BB-8，顯得格外的不同。第一，BB-8只跟地面有一個接點，所有的前進跟轉彎完全來自於球體本身。第二，常見的機器人都利用固定關節來旋轉。
但在BB-8的頭跟身體之間顯然不能這麼做。因為它的前進與轉彎完全利用身體往360度各種方向的滾動來達成。這麼有意思的設計，值得花時間好好瞧瞧。
BB-8獨特的8字形結構解密
BB-8完全仰賴身體的滾動來前進，製片商迪士尼球有一篇關於球體移動專利US8269447解釋了這項技術。在提出的專利內容當中，球體必須有一個驅動裝置，用來同時控制球體平衡與球體的平面移動。
其中驅動球體的裝置位於球體上方，並且必須跟球體隨時保持接觸，不可以掉落。我們可以用馬戲團的特技演員作為例子。特技演員在一顆大球上，小心翼翼地走著，而腳底下的大球也就跟著滾動。
當特技演員朝右踏出一步後在新的接觸點(Fw)，隨後將重心逐漸挪到前腳的同時，也將帶動大球逆時針滾動(Rs)，大球也因此向左平移(Ms)。特技演員將後腳往前收，重新挺直腰桿回到平衡，也就走到了新的頂點位置，完成了這個令全場驚嘆的平衡表演。
看完了特技演員的示範之後，可以發現要能實現這個想法，先決條件是頂部的驅動裝置不能太輕，一來無法有效帶動球體旋轉，二來平衡也會有難度。
三個全向輪組驅動球體旋轉
在專利提到的其中一個設計案例中，利用了三個全向輪組當作球體旋轉的驅動裝置。然而驅動裝置放在球體頂部，既要能很快讓球體加速移動，躲避砲火攻擊，要又有足夠的重量讓裝置可以清楚偵測平衡位置。
在高速移動下，驅動裝置難免會控制不住(特技演員走太快，從大球上摔下來)而掉到地上。驅動裝置的零組件可能經過這麼一摔，就發生故障或者移位了。既然驅動裝置放在球頂容易損壞，何不換個作法？
一個在頂部高速旋轉的驅動輪組，對比一個在內部高速旋轉的驅動輪組，雖然同樣都可以提供球體前進的動力，但後者顯然較為聰明，任憑內部的驅動輪組怎麼加速，再也離不開球體(如巨型球籠內的摩托車特技表演)。
這也是迷你版BB-8動力的設計，改良為球狀身體內部的輪組來驅動，而不完全是專利內容所提到的作法了。從專利的概念到實際產品，顯然有大幅的變化。
因此，我們最終看到的機器人趨動裝置版本，是在內部加速的輪組裝置來帶動BB-8的移動，從外觀上就像是一顆球體自發性的滾動。至於維持機器人平衡的機制，就採用不倒翁的設計，把BB-8的重心置於球狀身體的底部，於是BB-8在移動過程中不會翻覆。
那麼滾動過程中，BB-8要怎麼將半球狀的頭部維持在上半身？原來BB-8的頭底與內部驅動裝置的中央軸上各有一組強力磁鐵，在滾動的時候，磁力可以隨時吸住頭部。
為了降低頭部旋轉時的摩擦力，開發人員巧妙在脖子的接點處，加上一對小輪組，讓BB-8的頭部變得更加靈活。這樣一來，兼顧外觀、高速移動以及平衡感的機器人基本上有了最基本的雛型。
操控性來自於內部兩組馬達
BB-8的移動有賴於內部的輪組轉動，而馬達是帶動輪組旋轉的動力來源。BB-8選用的是兩顆無刷直流(BLDC)馬達，並透過脈波寬度調變(PWM)來控制轉速。無刷直流馬達需要透過驅動電路，將直流電轉換為三相電流，與一般直流馬達相比，沒有電刷磨損的問題，又不會產生噪音。
兩個馬達分別控制左側與右側的輪子。這樣的設計，讓BB-8的移動記能夠任意變速、又能夠做到即時的轉彎，控制性變得相當豐富。
舉例來說，當兩組輪子分別以順時針與逆時針方向旋轉時，BB-8就可以前進(或者從另一個方向看就是後退)；而兩組輪子同時順時針旋轉(或同時逆時針方向)時，將帶動BB-8的半球狀頭部，這時就可以會發現這時候機器人就會在原地搖頭張望，像是隨時在注意有沒有敵人來襲。
行進過程中，BB-8又是如何知道自己的平衡狀態呢？答案是板卡上的陀螺儀推進系統(Gyroscopic Propulsion)。
兩個內部齒輪為機器人提供動力，通過對身體底部的重心來調整動態平衡，並利用陀螺儀來判斷目前的狀態，究竟是正在前進中或者過度前傾，因此BB-8的半球狀頭部始終可以自動調整而不會掉下來。不過BB-8沒有配備障礙辨識技術，在高速衝刺的情況下撞到牆壁，頭可是會被撞飛到不見的。
由於科技的進步，讓各種電機零件得以整合在同一張板卡上，因此也讓晶片多了程式設計的可能性。BB-8就內建了多種模式可以供選擇，除了手機觸控之外還能夠以聲音來控制，讓主人可以透過手機麥克風下達命令，讓BB-8按照指示完成動作。甚至可以選擇巡航模式，這樣BB-8就會開始自己去探索這個世界。
採用多項技術來豐富生命力
BB-8要如何辨識主人呢？BB-8的板卡上有建立藍牙模組，可以透過藍牙配對來跟個人的手機作連結。而BB-8採用的通訊介面為Bluetooth Smart，屬於低功耗的技術BLE(Bluetooth Low Energy)，可以讓無線通訊模組耗電量降低。光是一顆鈕扣大小的電池，就能維持通訊設備運作將近一年以上，可以說非常的省電。
BB-8的電力供給方式也很值得一提。BB-8有兩個版本，第一個版本Hasbro以四顆AA電池提供電力，另一個版本Sphero，則用了無線充電技術。透過球體底部設計的接收線圈，以及外部的充電基座，利用無線感應技術將電力傳進BB-8的充電電池。在電力快消耗殆盡時，身體會開始閃爍紅色警戒燈號，提醒該準備讓它回家睡覺了。
BB-8還有一個重要功能，把重要軍情用影像呈現，讓戰友一目了然。但BB-8內部是完全密封的，也沒有配備任何投影裝置，究竟該如何實現？開發人員想了一個絕妙的點子：運用擴增實境(Augment Reality)技術。
首先用個人的手機鏡頭錄製影像，上傳影像之後，就可以透過BB-8的擴增實境投影在行動裝置上，若隱若現的水藍色畫面顯得相當有科幻感。跟盟友之間秘密訊息，就可以用這種方式傳遞，也讓這位星際大戰的新角色跟人類的互動變得更加密切。
BB-8在電影檔期外的商機
看完介紹是不是也對BB-8開始產生興趣？迷你版的BB-8身高僅11.4公分，總重量也不過200克，可以在掌中盡情地把玩。不過，精心設計過的BB-8身價可不便宜，一隻要價150美元。
BB-8製造商Sphero公司，除了配合星際大戰推出了這個作品之外，還有其他的產品系列。比如該公司SPRK計畫(School, Parents, Robots, Kids)，就刻意將BB-8的身體設計為透明的外觀，在小朋友把玩的同時，還可以直接觀察裏頭的零件是怎麼運作的，吸引他們對電子與機械設計的興趣。
Sphero還特別為SPRK打造了一個程式語言編輯器的App，讓小朋友們可以動動手，自己為玩具創造各種多媒體聲效果，將迴圈、判斷式、這些基本的編寫程式的觀念，輕鬆的在腦海裡建立起來。