從 QNET 到 MDL：我們在設計機電整合模組時學到的寶貴經驗
擺脫舊有框架，打造全新世代的機電整合學習平台
在 2023 年加入團隊時，我接下了設計機電整合設計實驗室（Mechatronics Design Lab，簡稱MDL）的任務。當時我們確定了兩件事：第一，我們需要獨立運作感應器(Sensor)與執行器(Actuator)裝置；第二，我們擁有近 15 年累積的機電系統設計經驗可供借鏡。身為學術負責人，我的角色不僅是規劃課程架構，更是參與決策該納入哪些感應器與執行器，以及背後的設計考量。
我們並非從零開始，也不是進行競品分析。相反地，我們嚴格審視了先前為 NI ELVIS 平台設計的產品：包含約自 2010 年起由 Quanser 開發的 QNET 機電感應器與執行器模組，以及 Quanser 應用模組。這些模組各有其優勢與侷限，而全面理解這兩者，正是形塑我們對 MDL 設計哲學的核心。
Quanser NI ELVIS 機電整合模組有那些優點？
首先值得肯定的是其優異表現。QNET 機電執行器模組配備了五種不同的馬達，而感應器模組則包含超過十種不同的感應器。其配套課程資源相當完善，且具備明確的教學哲學：不單只是展示感應器如何運作，更教導學生何時使用該感應器、其限制為何，以及如何解讀其數據頁（Datasheet）。
這種教學哲學在我們開發課程 30 多年的歷程中一直是關鍵核心。優秀的課程設計意味著培養學生做出真實工程決策的能力：不是了解超音波感應器的電子元件運作原理，而是明白在何種情境下應選擇超音波而非紅外線，以及背後的原因。舊有模組在這方面奠定了堅實基礎，因此我們選擇在此基礎上持續精進，而非推翻重來。
Quanser NI ELVIS 機電整合模組的局限性
客觀評估舊有產品的缺陷與改善空間雖然充滿挑戰，但卻是打造卓越產品的必經之路。舊版模組最大的限制在於其使用情境：它們是專為 NI ELVIS 平台設計的。
受限於固定的實驗桌上
NI ELVIS 是一套優秀的工具；然而其體積較大，且必須固定於實驗桌上。這意味著我們的模組也被綁定在特定場域。學生可以在受控的實驗室環境中學習裝置的運作特性，但無法直接將這些馬達與感應器拆卸並整合至機器人或專題實作中。這種設計限制了模組的應用範圍，使其難以延伸至大一基礎實驗之外的領域，缺乏重新應用於更複雜系統中的明確途徑。
一次僅能使用單一模組
由於 NI ELVIS 裝置的架構限制，一次只能插上一塊模組。這代表學生只能分別學習感應器或執行器；若想探索兩者的相互作用，則需要額外的模組。這種設計決策使得學生錯失了深入探索感應器與執行器整合的機會，而這恰恰是機電整合工程師的核心設計能力。
僅支援 LabVIEW
NI ELVIS 僅能運作於 LabVIEW 環境。LabVIEW 功能強大，但在特定產業之外的使用率已日趨下降。修習機電整合入門課程的學生，在大一程式設計課中極可能已學習過 Python，且畢業後幾乎肯定會繼續使用 Python、MATLAB 或 C 語言。將機電整合硬體鎖定於單一專有語言，會迫使學生為了操作實體硬體而必須切換至全新環境，無形中增加了學習門檻。
MDL：我們從頭開始重建，吸取了所有經驗教訓
攜帶方便且跨平台通用
機電整合設計實驗室裝置具備完全獨立運作的能力。若要使用感應訓練器，學生只需準備裝置本體、一條 USB-C 連接線以及一台電腦；執行訓練器則僅需額外搭配電源（電池或供電器）。電腦甚至可以是樹莓派5，讓整體設備達到極高的便攜性。無需固定實驗桌，亦無需綁定專屬平台。關於學生如何在實際教學中使用這些設備，我已在上一篇部落格文章中進行了詳細分享。
這種便攜性徹底改變了學生的實作可能。兩款裝置皆設有固定孔，學生可以設計並組裝一台雙輪機器人，利用執行訓練器驅動，並透過感應訓練器進行鏡頭影像與距離偵測。這些裝置成為了可靈活組合的積木，而非孤立的展示單元。它們可以帶出實驗室，應用於畢業專題、學生競賽或獨立研究中。
多裝置串聯與多元組合
與 ELVIS 電路板模組不同，機電整合設計實驗室不再有「一次只能使用一個」的限制。學生可以同時將多台訓練器連接至電腦，例如將感應器與執行訓練器結合使用，建立閉迴路控制系統。現在，整班學生能夠同時操作多個馬達與感應器，親身體驗真實的效能差異！
探索感應器整合是許多工程學系的核心學習成果。感應訓練器亦配備支援 SPI 與 I²C 的 GPIO 介面，這意味著學生可以擴充並加入板載以外的感應器。若課程需要特定的感應器類型，學生也不會受限於既有規格。
自主選擇 Python、MATLAB/Simulink 或 C 語言
機電整合設計實驗室開箱即支援 Python、MATLAB/Simulink 與 C 語言。我們提供完整的 Python 課程教材，讓在大一掌握程式設計基礎的學生，在進入機電整合課程時能繼續沿用相同語言，無需重新適應新環境。此外，由於 Python 為開源免費軟體，學生畢業後依然能持續使用。他們在大一實驗室使用的同一套裝置，能再次應用於機器人、機電整合、控制工程或畢業專題等進階課程中。
課程體系：更全面、更彈性、更具前瞻性
我們舊有的電路板模組配備了紮實的課程，這也是我們在設計機電整合設計實驗室時極為重視的一點。我們保留了相同的核心哲學（理解「為什麼」，而非僅是「如何做」），並進行了大幅度的擴充。
感應訓練器附帶 19 個結構化的實驗課程，涵蓋每種內建的感應器類型。課程不僅教導學生如何讀取數值，更深入剖析感應器測量的物理量、其優缺點及適用時機，以及相較於其他替代方案的選擇理由。執行訓練器則包含 4 個實驗課程，對應每種馬達類型，同樣著重於使用時機與理由的分析。
我們的課程架構分為三個層次：引導式的基礎實驗、要求學生在單一裝置上結合多項功能以解決實際問題的開放式挑戰，以及結合兩款裝置的大型設計專題（適用於課程期末專題或畢業專題）。這種架構意味著同一套硬體無需任何修改，即可同時支援大一入門教學與大四畢業專題的需求。關於這三個層次的運作機制，歡迎參閱 Crystal 所撰寫的詳細部落格文章。
結語
我們早期為 NI ELVIS 設計的機電整合模組在當時確實是優秀的產品，它透過周全的課程搭配，提供學生感應器與執行器的實務操作經驗。然而，其在平台、軟體與架構上的限制，阻礙了學生進行更深入的探索與延伸應用。
機電整合設計實驗室（MDL）是我們吸收該系列產品 15 年來的回饋意見、坦誠面對各項優缺點後所凝聚的結晶。它的誕生，旨在貫穿學生整體工程教育歷程，而非僅止於大一的一兩堂實驗課。
若您正在評估機電整合實驗室設備，或正考慮替換已使用十多年的既有平台，我們十分期待與您進一步交流。機電整合設計實驗室的設計初衷，就是成為您最後一次需要從零重建實驗室的終極解決方案。
本文轉載自 Quanser 原廠網站，作者 Lorena Gonzalez / Quanser 學術應用工程師
留言