學習重點
1. 了解專題活動內容與規範。
2. 回顧產品設計流程，檢視所學到的重點知識與技能。
3. 運用創意思考、製圖技巧、結構與機構、能源與動力和電與控制等相關知識，設計創意清掃機器人。
4. 運用電路控制邏輯知識，針對特殊需求設計程式進行控制。
5. 運用製圖技巧，繪製完整的工作圖並進行尺度標註。
6. 依據設計需求，選擇適切的材料，進行加工、組裝、測試及問題修正。
7. 能用口頭或書面的方式表達自己的設計理念與成品。
65
64
製作創意清掃機器人—Micro:bit
影片
製作創意清掃機器人
架
構表與多媒體
1 任務緣起
2 任務說明
4 概念發想
3 得分祕笈
5 繪製構想草圖
6 系統整體設計
7 控制電路設計與程式撰寫
8 清掃功能設計
9 電路設計
10 電路與測試
11 細部設計與材料選擇
12 製作、測試與改良
13 成果發表
專題：製作創意清掃機器人
製作創意清掃機器人
1
任務緣起
66
■ 四千多年前古人看到受傷的雞拖著身體爬，滿是灰塵的地板變得乾淨，發明雞毛掃帚。
■ 後來發明竹掃帚與塑膠掃帚。
■ 二十世紀開始出現「吸塵器」。
■ 在現代，自動化和智慧科技的發�展，產生「清掃機器人」。
2
任務說明
67
■ 觀察下圖並分析現場發生什麼事？畫面中的掃地機器人具有什麼功能？遭遇了什麼麻煩？
2
任務說明
67-68
■ 觀察下圖並分析現場發生什麼事？畫面中的掃地機器人具有什麼功能？遭遇了什麼麻煩？
2
任務說明
67-68
■ 從事件現場可以發現，掃地機器人在進行清掃過程中會遭遇許多問題。
■ 在設計產品時，要將可能造成問題的因素納入參考、或是設計應變的巧思。
■ 在這樣的狀況下，掃地機器人應該具備或加強哪些功能？
■ 除了掃地以外，同學們也可以換一個角度思考，例如：可以拖地、可以集中垃圾等，把機器人的設計構想從掃地放大到清掃。
2
任務說明
67-68
密技：市場調查
■ 多數具有創意的產品在市場上失敗，其主要原因在於不符合多數使用者的需求。
■ 善用訪談或問卷調查等方式，聽聽不同人的想法，歸納內容作為產品設計的參考依據。
學
習
單
清
掃
機
器
人
3
得分祕笈
70-71
清掃功能 設計 | 功能完整且效果佳，具多元性。 | 能針對不同的髒汙類型達成預期功能，且清掃效果佳。 | 能進行清掃，但有部分的髒汙類型無法有效清除。 | 無法進行清掃。 |
控制電路 設計 | 電路邏輯正確，使用便利。 | 能選擇正確的電子元件及電路，並搭配程式進行設計，使產品動作流暢。 | 能完成功能所需電路，但於程式設計上有小缺失。 | 電路無法作動。 |
移動功能 設計 | 功能完整且效果佳，具多元性。 | 能順利移動，且具備特殊功能（例如：避障、出角落、防墜落等）。 | 能順利移動，但不具備特殊功能（例如：避障、出角落、防墜落等）。 | 無法順利移動。 |
外觀 設計 | 符合功能使用的創意造型主題。 | 能發揮創意，應用多元材料設計符合產品概念的外型。 | 外型與功能相輔相成。 | 只有普通外殼。 |
需求分析 | 了解市場需求並設計對應產品。 | 能彙整客群多項需求，聚焦設計。 | 能針對客群單一需求設計。 | 依照自己喜好設計。 |
構想與建模 | 使用適切的方式建模輔助開發。 | 能使用電路圖和草圖搭配不同的建模方式設計。 | 能使用草圖進行建模設計。 | 未使用設計圖，直接實作。 |
測試修正 | 問題發現與解決的有效性。 | 能詳細記錄或說明問題、原因，並能有效解決。 | 能大致記錄或說明問題、原因，並能有效解決。 | 無法記錄或說明問題、原因，且未能解決。 |
評量項目
表現優異
順利過關
挑戰失敗
評量重點
3
得分祕笈
密技：產品設計流程
評估使用者需求，定義產品功能及確認可能面臨的限制。
依據所擬定的需求，發展不同的設計概念並繪製設計草圖，再篩選出最適合的方案。
思考如何規畫清掃、移動、避障等功能之間的相互關係，藉以構思電路與程式設計。
設計並製作整體的結構與機構零件，挑選適合的電子元件並撰寫程式。
藉由建模與測試找出問題，並反覆修正。
70-71
4
概念發展
72-73
■ 利用心智圖，把擬定的功能需求及可能採取的製作方式畫出來，藉以找出設計的方向。
5
蒐集多元資料
74-75
■ 藉由繪製草圖，可以形成初步的樣貌，以利於後續設計工作。
6
系統整體設計
76-77
密技：整體功能分析與規畫
■ 在實際製作前，必須經過整體性的功能規畫與系統設計，以確認各項功能的運作方式。
■ 掃地機器人構造可分為：
1. 電源供應：電源、線路等。
2. 控制元件：控制板（程式）、感測器、開關等。
3. 作動元件：
(1) 清掃功能：馬達、刷具或抹布、吸塵裝置及集塵�盒等。
(2) 行走功能：馬達、傳動機構和車輪等。
4. 外觀結構：內部機架、外殼等。
每項功能選用的零件與材質、位置的安排、機架及外殼的設計都會彼此影響，因此，必須先確認整臺清掃機器人的運作模式，才能作為後續功能及零件選擇的依據。
6
系統整體設計
76-77
6
系統整體設計
76-77
7
控制電路設計與程式撰寫
78-83
密技：行走功能設計
■ 移動方式的設計是首要考量的重點，行走功能的選擇會受到使用情境的影響，例如：地面光滑程度、是否需爬坡或越過小型障礙等，配合不同的需求，可選擇採用輪子或其他方式（如仿生獸）移動。
■ 使用幾顆馬達，才能完成行走功能的控制？馬達數量的選擇會影響到需提供的電力大小，以及整體的外型尺寸。
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 光敏電阻：�是一種會因為光線照度改變而改變電阻值的一種電阻，只要透過「類比腳位」感測數值即可做出反應。
■ 當光線被遮起時，電阻值變大，代表前方依舊有道路；當前方懸空時，光敏電阻接收到的光線變多，電阻值下降，因此清掃機器人會退後並轉彎後再直行。
1. 如果外界光源不夠強或明暗變化不夠大時，則光敏電阻的反應會較不靈敏，可能無法正常運作。
2. 光敏電阻除了可以使用程式進行控制，也可以在沒有搭配微控制器的情況下，達成簡易的避障功能。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 將光敏電阻接到 P0 的位置，按下 A 按鈕時，螢幕顯示光敏電阻的類比數據，並不斷偵測判斷，當數值大於或等於 800 時，顯示「×」一秒，否則顯示「ˇ」一秒。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 紅外線感測：�紅外線感測模組會發出紅外線光束，當光束反射時，代表前方有物體，並進行動作反應。
■ 一般會配置兩顆 LED，一顆為輸出端，另一顆為輸入端。輸出端只需要提供電位差就會發出紅外光，而輸入端則像上述光敏電阻的方式進行連接，程式編寫和光敏電阻相同。
需注意外在環境是否有其他的紅色光源，由於紅色可見光與紅外光波長接近，因此可能會產生干擾的狀況。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 超音波感測：�超音波感測模組會發射聲波，並藉由測量聲波遇障礙物反射回來的時間，計算出發射點到障礙物的實際距離，因此利用超音波避障比紅外線避障的程式編寫，增加一項測距設定。
超音波感測模組可以使用在多種環境下，比起光敏電阻和紅外線感測，更能避免光線變化的干擾，在灰塵很多的情況下，也不容易受到影響，但缺點是價格較高。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 微動開關：
‧ 最左邊為共同腳位（COM），在接線時都會連接這隻腳。
‧ 中間的腳位（NO）在按壓時會「啟動」，而放開時會「斷開」。
‧ 最右邊的腳位（NC）在按壓時會「斷開」、放開時會「啟動」。
■ 在實作時，需要先規畫好希望機器讀到何種類型的電位以作出反應。
藉由微動開關碰觸到物品，感測前方是否有障礙物需轉向，也可以逆向思考：藉由持續接觸地面並維持在按壓狀態的微動開關，檢測前方道路是否中斷，當機器人走到桌邊或樓梯旁時，因為微動開關彈開而停止前行。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
密技：避障功能設計
■ 先將 Micro:bit 連接到擴充板，再將微動開關模組連接到擴充板的 GND、V1、P0 腳位後撰寫程式。
■ 當微動開關被按下後 P0 會讀到高電位，此時 Micro:bit 上會顯示「按鈕按下」的圖示。
■ 若微動開關沒有被持續按住，則一秒後回復成「愛心」圖示。
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
78-83
7
控制電路設計與程式撰寫
78-83
8
清掃功能設計
84-85
密技：機構
■ 向內側旋轉：�如同刷子自轉刷地板一樣，清掃馬達和移動輪馬達組裝方向垂直，為輔助風扇吸塵效果，可以再裝一個被動輪，使兩輪轉向順逆相反，但均向內側旋轉，使掃起的髒汙順著風扇所產生的風，被吸入內側。
■ 滾筒滾輪：�清掃機器人如果設計成車輛造型時，可以藉由在車軸或馬達轉軸上加裝齒輪做為主動輪，再藉由撓性傳動機構連接被動輪，便可以加裝不同形式的清潔裝置，例如：增加毛刷、或是讓鏈條表面具有黏性或加裝抹布，便可以用來清潔地面的髒汙。
8
清掃功能設計
84-85
密技：材料
■ 掃除：
‧ 較硬質的毛刷可以清潔崎嶇有縫隙的地方，以家用掃把和刷子做參考，有塑膠、芒草和棕毛等。
‧ 軟質的毛刷則能在清掃時避免刮傷表面，常見的雞毛撢子就是利用羽毛來製作。
■ 擦拖：�模仿抹布與拖把的概念，能將灰塵等較輕的髒汙清掃更乾淨，但清掃部位需要清洗或是更新，通常採用更軟質的材料，例如：海綿、布、衛生紙和毛線，或是使用黏紙，除了讓它呈一整面平整著地外，還可以設計成不同形式來輔助打掃。
9
電路設計
■ 可以利用模擬軟體先確認電路邏輯與配線的正確性再實際製作，避免損壞電子元件。
86-87
1. 將 Micro:bit 上的腳位全部引出並擴充成 GND、VCC、信號端三個介面，方便與感測器模組連接。
2. 拉出序列埠介面、I2C 通訊介面、SPI 通訊介面，�方便和其他通訊設備連接通訊，序列通訊使用序�列匯流排傳輸資料。
※ I2C（INTER ICBUS）通訊介面適用於 IC �之間的匯流排。
※ SPI（Serial Peripheral Interface）通訊介面是�串列外設介面。
3. 擴充板供電給 Micro:bit 時，可以選擇黑�色 DC 頭輸入 7～9V 或 Micro USB 介面�輸入 5V 兩種方法；擴充板供電給感測器�時，可以透過 V1、V2 跳線跨接器連接選�擇供電電壓（可選擇 3.3V 或 5V）。
Micro:bit 擴充板
88
■ 可以同時驅動兩個直流馬達，其驅動馬達的工作電壓介於 DC 2.5V～12V 之間，最大工作電流 0.8A。
■ 若其 VCC 只連到 Micro:bit 的 3.3V，輪子轉動速度會比較慢，這時可以另外外接電源。
L9110S 直流電機驅動板
市面上常見的另一款驅動板，需特別注意腳位的位置略有不同。
89
10
電路與程式測試
90-91
■ 在安裝到成品前，必須進行電路與程式的測試，此時可以先使用麵包板等進行測試，避免銲接後不易調整。
■ 在電路測試時，要注意元件、接點和線路等狀況，確認可以正常運作外，還要整齊牢固，避免使用時容易鬆脫或毀損；程式則要確認接腳與參數設定的正確性及動作的流暢度。
TT 直流減速馬達 2 個、雙切開關（船型開關的一種）、滾輪微動開關、微動開關 2 個、電池座 2 個、電線與 3 號電池。
10
電路與程式測試
90-91
將第 86 頁繪製的電路圖用實體的元件線路組裝完成。
作動效果
當總開關（雙切開關）開啟且底部的滾輪微動開關（防摔用）被壓下時，左右輪馬達正轉前進，當碰到微動開關（避障用）後，對應的馬達產生反轉，造成轉彎的效果。
10
電路與程式測試
90-91
針對各項部分逐一檢測。
1. 電路接線是否正確？
2. 接點是否牢固、確實接觸？
3. 元件是否損壞？
4. 電路是否導通？
檢查
10
電路與程式測試
90-91
針對各項部分逐一檢測。
1. 馬達是否順利運轉？
2. 馬達轉向和行進方向是否符合？
檢查
10
電路與程式測試
92-97
Micro:bit、18650 電池盒及電池 2 顆、Micro:bit 擴充板、萬用板（20mm×80mm）、DC 外接電源接頭、TT 直流減速馬達 3 個、L9110S 直流電機驅動板 2 片、微動開關模組、杜邦線或單芯線、2×2杜邦線母座、伺服器風扇。
10
電路與程式測試
92-97
先將 Micro:bit 與擴充板組裝，再連接微動開關模組。
連結前需先將程式匯入 Micro:bit，並注意腳位是否正確。
10
電路與程式測試
92-97
使用電烙鐵將 L9110S 與萬用板（洞洞板）銲接，並透過杜邦線公座與母座來增加電源供應的腳位，在萬用板上銲上 DC 外接電源正、負極，轉接頭則插入擴充板。
此步驟的目的是為了延伸 L9110S 內 GND 和 VCC 接腳，讓其他感測器及設備並聯插入，包括風扇、電池盒、DC 外接電源接頭，亦可直接使用萬用板來延伸 GND 和 VCC 腳位。
10
電路與程式測試
92-97
將清掃滾筒用的減速馬達接上 L9110S 的 MORTOR-B，B-1A 埠和 B-1B 埠分別接到擴充板的 P12 和 P8，再將 18650 電池盒及小風扇的正、負極接到擴充板的杜邦線母座。
10
電路與程式測試
92-97
將清掃滾筒用的減速馬達接上 L9110S 的 MORTOR-B，B-1A 埠和 B-1B 埠分別接到擴充板的 P12 和 P8，再將 18650 電池盒及小風扇的正、負極接到擴充板的杜邦線母座。
MORTOR-B 與滾筒的馬達連結如下：
1. B-1A 埠、B-1B 埠分別與擴充板上的 P12、P8 連接。
2. VCC 與 GND 分別與萬用板上的 VCC 及 GND 延伸母座連接。
10
電路與程式測試
92-97
再用另一片 L9110S 連接左右輪馬達。
為了方便區分使用目的，所以使用 2 款不同的 L9110S。
10
電路與程式測試
92-97
再用另一片 L9110S 連接左右輪馬達。
MORTOR-B 與右輪的馬達連結、MOTOR-A 與左輪的馬達連結如下：
1. B-1A 埠、B-1B 埠分別與擴充板上的 P16、P15 連接。
2. A-1A 埠、A-1B 埠分別與擴充板上的 P14、P13 連接。
3. VCC 與 GND 分別與萬用板上的 VCC 及 GND 延伸母座連接。
10
電路與程式測試
92-97
完成電路組裝及程式測試。
1. 風扇及車輪馬達是否順利運轉？
(1) 風扇旋轉方向是否可產生吸力？
(2) 馬達轉向和行進方向是否符合？
2. 牆壁避障（微動開關）是否正常？
(1) 在開關接觸障礙物時是否有反應？
(2) 馬達轉向的方向（自動迴避路線）與延遲時間是否正確？
檢查
10
電路與程式測試
92-97
11
細部設計與材料選擇
98-99
密技：繪製工作圖及尺度標註
■ 仔細考量各機構間的相對位置，規畫適切大小並確認不會互相干擾，也可透過 3D 建模，明確表現出各個物件的外型與位置。
12
製作、測試與改良
100
密技：感測元件與電路安裝順序：由外到內，由大到小
1. 先安裝需要外露的零件，避免線路連接後無法調整。並注意感測模組位置：高臺避障置於下方；牆壁避障置於前方。
2. 集塵盒和開發板等體積較大的零件先放入，再置入電池和馬達等較小的元件，開發板安裝前記得要確認已將程式匯入。
3. 電路銲接時需留意電線長度與位置，不要互相干擾，影響其他零件運作，且接點要穩固。
4. 將所有零件接合組裝固定。
5. 測試電路及各項功能是否正常運作。
密技：數位加工
■ 可嘗試運用 3D 列印或雷射切割的方式製作零件，以節省製作時間並增加零件的精確性。
尖嘴鉗、剝線鉗、電烙鐵、三用電錶、熱熔膠槍、剪刀、雷切機。
木板、白膠、電線、銲錫、雙切開關、滾輪微動開關、微動開關 2 個、TT 直流減速馬達及輪胎 2 個、3 號電池與電池座 2 組、鋼珠輪、清潔抹布、魔鬼氈、電工膠帶。
12
製作、測試與改良
101-103
使用電腦繪圖軟體繪製車殼並轉成 DXF 檔，傳輸至雷切機進行裁切；或使用手繪方式在材料上放樣，再使用工具（或機具）進行裁切。
12
製作、測試與改良
101-103
先將雙切開關（總開關）扣在車蓋上，再銲接設計的電路。
12
製作、測試與改良
101-103
銲接前，需確認微動開關與馬達正反轉的位置。
銲接完畢後即可進行與外盒的組裝。
其他零件使用熱熔膠槍固定在車體內部。
12
製作、測試與改良
101-103
確定好馬達的轉向後，即可將電線銲接於馬達上。
1. 裝上鋼珠輪後，將車體平放於桌面，確認車底到桌面的高度，再固定滾輪微動開關，讓微動開關於車體行進時可以被桌面按壓。
2. 在車體內部進行配重，讓車體行進到桌面邊界時可以立即停止。
12
製作、測試與改良
101-103
裝上清潔抹布，完成掃地機器人。
12
製作、測試與改良
101-103
可使用魔鬼氈，以方便更換清潔抹布。
12
製作、測試與改良
101-103
一字起子、十字起子、斜口鉗、剝線鉗、內六角扳手、電烙鐵、熱熔膠槍、3D 印表機、雷切機、電腦（使用 MakeCode 軟體）。
Micro:bit、18650 電池盒及電池 2 顆、Micro:bit 擴充板、萬用板（20×80mm）、DC 外接電源接頭、TT直流減速馬達 3 個、L9110S 直流電機驅動板 2 片、微動開關模組、杜邦線或單芯線、2×2 杜邦線母座、電線、伺服器風扇、螺絲螺帽（30mm 約 6 組、12mm 約 20 組）、內六角螺絲 M4×20mm、軸承（外徑10mm、內徑 4mm）、銲錫、木板（120×90mm）、輪胎 2 個、束線帶、電工膠帶。
12
製作、測試與改良
104-107
完成電路組裝�及測試。
12
製作、測試與改良
104-107
透過 3D 印表機列印車體（包含車身、清潔滾筒、風扇空間），並使用螺絲螺帽等零件組裝車體。
12
製作、測試與改良
104-107
可嘗試將風扇放在小盒子中或者裝在外面。
製作蓋子，可用來讓電路元件固定，也可防止垃圾飛濺。
透過 3D 印表機列印車體（包含車身、清潔滾筒、風扇空間），並使用螺絲螺帽等零件組裝車體。
12
製作、測試與改良
104-107
裝上風扇與馬達。
12
製作、測試與改良
104-107
可以先將 3 個馬達固定在左右側邊，再蓋上木板，會比較容易加工。
確定好馬達的轉向後，即可將電線銲接於馬達上。
12
製作、測試與改良
104-107
12
製作、測試與改良
104-107
12
製作、測試與改良
108-109
密技：常見問題改善與作品精進
1. 清掃狀況不佳，如何改善？
‧ 掃地輪有沒有將髒汙確實掃起？
‧ 風扇吸風效果如何？有沒有起作用？
‧ 集塵盒有沒有順利收集到髒汙不掉出？
2. 電源是否能夠正常開啟？
‧ 確認開關是否開啟。
‧ 運用三用電錶檢查電路是否導通。
調整輪子位置、角度或是更換造型、材質。
方向、葉扇、馬達和位置調整。
形狀設計和位置調整。
12
製作、測試與改良
108-109
密技：常見問題改善與作品精進
3. 外殼（以修整補強為主）：
‧ 外觀完整度與堅固程度。
‧ 是否在運行中干擾作業？
‧ 電池與集塵盒是否能取出更換與清潔？
留意組裝接合處。
太輕？太重？與輪子互相干擾。
增加結構與機構設計。
12
製作、測試與改良
108-109
密技：常見問題改善與作品精進
4. 移動與避障功能是否有效？
‧ 直線移動和轉彎是否順暢？
‧ 高臺避障：放在桌上試走時，走到桌邊會不會掉落？
‧ 牆壁避障：在試走路線前方放置障礙物，會不會避開繼續清掃？
5. 是否能透過遙控器或手機控制？
‧ 開機、直線走動、轉彎和關機操作檢查。
輪子設計與輪軸位置調整。
程式路線與參數設計、感測器位置和整體重心重量調整。
程式路線與參數設計、感測器位置和外殼形狀調整。
程式內容和傳輸器連接檢查。
13
成果發表
110-111
製作創意清掃機器人
本章已經全部學習完畢，
點擊速測派按鈕練習 10 題精選題目！
FIRST 機器人競賽（FRC）
美國發明家 Dean Kamen 在 1989 年創立非營利組織FIRST，為了激發與培養學童對 STEAM 學科的興趣，舉辦 FIRST 機器人競賽（FRC）。每年會選擇不同的世界性議題作為比賽主題，例如：2023 年以「能源」概念為競賽主軸，參賽者須了解能源的運作方式、來源及應用，將學習的知識運用在機器人的設計上，以完成競賽指定目標。
FRC 比賽不僅重視目標的達成，也重視團隊成員彼此的合作、溝通與分工，及期許學生能從中習得清楚表達機器人設計理念的能力，並能在競賽會場中，結交來自世界各地對於機器人有共同熱愛的夥伴們。FRC 比賽不僅限於高中階段，其涵蓋完整的 K-12（幼兒園到高中三年級）階段，不同階段的學生皆可參與並享受刺激的機器人賽事。
112-113
生活科技相關競賽介紹
全國高中生活科技學藝競賽
由普通型高級中等學校生活科技學科中心主辦，以生活科技課程內容為主軸的專題實作競賽。競賽目的在鼓勵高中生培養觀察分析、設計製作與問題解決的能力，藉由各種主題激發學生對科技研究及創造思考的動機，並藉著團隊合作來解決所發掘之問題，進而提升學生對創意設計活動及工程設計的興趣。
此競賽分為兩階段，第一階段是作品提案，透過觀察、分析與實驗發展設計；第二階段是應用製作能力完成作品，執行動作測試與展演。競賽類型又分為「任務挑戰」和「創意設計」兩種。「任務挑戰」須依指定任務與限制進行裝置設計製作，於決賽當日至規定場地比賽計時搶分；「創意設計」分為團隊組和個人組，結合生活主題發展創新設計，並製作動畫模型、樣品進行分享。
112-113
生活科技相關競賽介紹