本文以四足玩具機器人為例為例，結合Wi-Fi及攝影鏡頭，讓操作者能夠以自行寫的網頁介面來控制四足玩具機器人，同時能夠藉由網路攝影鏡頭ESP32-CAM透過Wi-Fi模組所發出的熱點連結到網頁上，可以看到四足玩具機器人移動時的即時影像。機器人的外觀能夠隨個人所喜歡的樣式變，透過3D軟體設計與3D列印機就能製作出想要的外殼，讓操作者都能夠擁有屬於自己獨一無二的四足玩具機器人。至於遙控方面，網頁設計遙控人機介面，不必擔心遙控器不見，也能夠克服使用App作為遙控裝置所導致的手機容量不足或是手機版本不相容的問題。至於機器人的主控核心，則以盛群半導體(Holtek)的HT32F52352晶片為控制核心晶片，搭配PCA9685脈寬調變控制晶片輸出控制訊號，將裝設於機構關節上的RC伺服馬達進行轉動角度之控制，實現四足玩具機器人設計開發之目的。
機器人三點不動維持平衡
此四足機器人的移動必須隨時保持移動平衡，否則有摔倒的可能。機器人在移動時先提起一隻腳，靠另外三隻腳支撐身體，輪流動作以達到移動效果。而三角形重心求法為調整四足玩具機器人平衡時所運用之運算原理，不管是在移動或是靜止狀態時，若是讓四足玩具機器人以三角形面求出的重心落在三角形外側，則無法使機器人保持平衡。
1.三角形重心求法：以三角形三個邊的中點與各對角的拉線互相交會的點(G)為三角形重心。
2.三角形面保持平衡方法：三角形面的重心若未落在三角形外側，則此面必能保持平衡。
圖1為四足玩具機器人移動原理圖，四足玩具機器人移動以最簡單的腳步移動動作。操作時必須確保四足玩具機器人在每次移動的時候都有三隻腳踩在地面上，而四足玩具機器人由三角形求法求出的重心必須放在由三隻腳形成的三角形範圍內。如果正在移動或是靜止狀態下，四足玩具機器人的重心離開了三角形，四足玩具機器人將失去平衡而跌倒。圖2、圖3則為機器人站立及Say Hi腳部關節說明，藉由圖中的表格能看出調整每個馬達角度，讓馬達達到不同的角度帶動四足玩具機器人的效果，以變化各種動作。
系統控制關節動作概覽
圖4為四足玩具機器人系統架構圖，系統使用32位元微控制器HT32F52352為控制核心，並透過I2C的傳輸方式將每個關節所需求的訊號，透過PCA9685脈寬調變產生晶片進行控制訊號輸出，以控制RC伺服馬達旋轉角度，完成機器人各關節的轉動需求。而14顆伺服馬達在四足玩具機器人上的相關位置，由PWM產生器控制14顆伺服馬達帶動四足機構來完成移動，與需求動作表現的控制效果。機器人上有一攝影鏡頭是透過ESP32-CAM控制模組所發出的熱點，傳輸影像於自行設計的網頁人機介面端。當機器人移動時可由網頁端按鈕按下，然後可下送命令到晶片控制端，經由運算及順序判斷，將控制訊號傳遞給PCA9685的PWM產生器，輸出訊號給各關節RC伺服馬達，帶動四足機構以實現動作任務。
四足玩具機器人硬體架構(圖5)中以HT32F52352晶片作為主控核心，配合資料傳輸模組、PWM產生器PCA9685、RC伺服馬達，組成四足玩具機器人移動控制，並藉由ESP32 Wi-Fi模組所發出的熱點，可由任何可聯網之個人電腦或行動裝置，透過網頁控制介面端及時進行操作及監控。此外，四足玩具機器人運用3D列印技術印製出外觀與腳部關節，至於四足玩具機器人組成所運用到的3D列印零件，結合伺服馬達及Wi-Fi攝影鏡頭模組即能成為四足玩具機器人。
此機器人使用HT32F52352晶片為主控核心(圖6)，透過UART串列傳輸連結Wi-Fi模組。再藉由Wi-Fi模組將網頁端所發出的指令傳輸到主控核心晶片，並運用I2C方式傳送指令至PWM產生器來控制14顆伺服馬達完成網頁端所選取之動作。圖7是ESP32-CAM Wi-Fi攝影模組，使用到的ESP32-CAM模組是由Wi-Fi電路與攝影鏡頭組合而成。Wi-Fi攝影模組藉此作為控制晶片與網頁控制介面端傳輸橋梁，ESP32是完整的Wi-Fi模組晶片能夠獨立工作，也作為從機搭載於其他主機MCU。
圖8為四足玩具機器人之電源轉換電路，此機器人中擁有許多種不同類型電子元件，包含MCU、金屬齒輪伺服馬達、塑膠齒輪伺服馬達、Wi-Fi攝影模組等需要多種不同電壓之電源供應，包含3.3伏特、5伏特、6伏特三種電壓輸出，3.3伏特用於提供MCU之電源供應，5伏特則提供Wi-Fi攝影模組及2顆塑膠齒輪伺服馬達之電源供應，6伏特為提供12顆金屬齒輪伺服馬達之電源供應。四足玩具機器人中有兩種伺服馬達(圖9)，一是金屬齒輪伺服馬達(MG995)，另一種是塑膠齒輪伺服馬達(MG90)，兩者都由PWM產生器(PCA9685)控制。主要是由網頁控制介面端下達動作指令藉由Wi-Fi模組傳送到控制晶片，再以I2C傳輸協定傳送給PWM產生器來完成指令。
透過Wi-Fi模組聯網控制
四足玩具機器人網路架構(圖10)是透過Wi-Fi模組所發出的熱點，與任何可聯網之個人電腦或行動裝置連結，連結後即可由網頁控制介面端按鈕下送指令到晶片主控核心控制四足玩具機器人。當Wi-Fi模組所發出的熱點與可聯網之裝置連結後即可看到網頁控制介面端，網頁控制介面端可看到LOGO、方向控制頁面、動作控制頁面，及ESP32-CAM所傳輸之攝影機影像。
操控四足玩具機器人時，程式開始時會先執行基本的設定，並且設定PCA9685的PWM產生器頻率為50Hz，等待使用者從網頁端按下按鈕後，再將收到的命令用以控制伺服馬達，以此完成玩具四足機器人之操作(圖11)。
本網頁端以HTML格式撰寫，將網頁程式碼寫入ESP32-CAM模組中(圖12)。程式會先初始化設定鏡頭，並且建立網頁。當使用者按下網頁按鈕後，會透過UART將從網頁端收到的資料傳送給主控核心晶片進行控制四足機器人的腳步移動效果，同時可藉由網頁控制介面端觀看即時影像。
此四足玩具機器人共可完成19項動作，包含上、下、左、右、前進、後退、左移、右移、左轉、右轉、站立、Say Hi、休息、躺下、舞姿一、舞姿二、舞姿三、轉圈圈、匍匐前進等。因其動作彈性且以網頁人機介面控制，除不需要遙控器，使用者也毋須額外下載App，在生活中可作為孩童與長者之玩具與陪伴，並能用於環境安全監測。
(本文作者陳宏明為建國科技大學電子工程系副教授；王奕偉/陳威志/王銘典為建國科技大學電子工程系學生)
