Quanser 工程師經驗分享：機器人教育觸手可及

錫昌科教
9月2日
讀畢需時 5 分鐘

來自 QUANSER 的學術應用研發經理 Murtaza Bohra，近期分享一篇文章，展現他學習機器人的歷程，並且肯定優秀的課程與專業學程，將幫助學生來探索複雜的系統，讓我們來看看他說了什麼。

回顧

在我多倫多大學大二即將結束之際，我所有的同學都興奮地收聽了 Praxis IV（工程設計課程）的最後幾堂課。這些材料最後都不會用於考試。我們觀看了來自世界各地的影片和尖端研究。我們將在第三年選擇了專業，這個選擇讓我很緊張，因為專業學程是相當漫長的選擇。我學習了鋰電池設計中的碳奈米顆粒、可以最大限度地減少洋流共振的 200 英尺混凝土柱，以及可以最大限度地減少濺回的現代小便池（你沒看錯）。在這個兩小時的課程即將結束時，一段 30 秒的影片幫助我下定了決心。幾位研究人員演示了麻省理工學院 Skywalker 的早期原型。該解決方案為無法行走的神經損傷患者提供了生態步態療法。這促使我探索專業學程中選擇機器人。我選擇了工程科學的航空專業學程，因為當時還沒有機器人學程。我很幸運能有這樣的經歷，開啟了我的機器人教育之旅。

麻省理工學院 Skywalker 參考影片

直到最後一年，開設了 AER525——機器人技術入門課程。我把早年學到的各種概念運用到機械手的應用場景。這門課涵蓋了線性代數、運動學、動力學、運動規劃和控制等多個領域。我和另外四名航空專業的學生一起學習了這門課程，但還有大約 25 名來自機電專業的學生透過Core-8 工程專業學程學習。大多學生都難以回想起前幾年學到的基礎知識，原因相當複雜。雖然我個人與這門課程相關的經驗以及這篇部落格中分享的經驗都與機械手有關，但這種困難也延伸到了其他工程領域。

在最近的一次聚會中，我們的一位朋友兼夥伴 Euan Lindsay 提醒 Quanser 學術應用工程師：「工程的重點不在於解決問題，而在於定義問題。」我想詳細闡述如何培養擁有可靠機器人教育背景的工程師這一複雜問題。最終，我主張讓學生更容易接觸到機器人教育，從而更容易獲得（reachable, 雙關語）。

時間可及性

在 AER525 課程中，我第一次接觸了 Denavit-Hartenberg（DH）框架。緊接著，我學習了大量將公式應用於機械手原理圖的實例。這門課程也讓我們有機會模擬一個18自由度的機械手，它有 6 個模組化單元（每個單元包含 2 個旋轉關節和 1 個移動關節），可以鎖定/解鎖。這讓我們能夠輕鬆地在不同配置的機械手上練習 DH 框架技能。雖然我後來三次擔任課程的助教，但直到我開始在 Quanser 擔任課程開發人員和研發工程師，我才真正理解了這門課的意義。

*航空機電整合實驗室（Sanford Fleming 4003）的 18 DOF 可重構機械手*

在 Quanser 的第一年，創辦人要求我讓固定式四軸飛行器（3DOF Hover）保持使用者指定的俯仰和滾轉，同時在原地持續偏航。我對四軸飛行器一無所知（是的，即使我有航空背景），但我知道該設備是固定的。於是我使出渾身解數，運用 DH 慣例，將 3DOF Hover 建模為串列機械手。大約一個小時後，我讓 3DOF Hover 複製了所需的運動。這個切入點引發了我對四軸飛行器的興趣，並帶頭開發了 Quanser 為 QDrone 和無人載具研究工作室開發的自主飛行堆疊。我對此的興奮之情也體現在大量關於這些設備的部落格上。

如果我沒有在第一次學習 AER525 時就立即將 DH 框架應用於該領域的問題，我不確定我的職業軌跡和相關項目是否會蓬勃發展。當然，這可以歸因於許多因素，但最重要的是，我希望有機會在基礎知識最初接觸到的地方接觸這些設備（模擬或硬體）。例如，向一年級首次學習線性代數的學生介紹一個機器人操縱器，並向他們展示旋轉矩陣和基底框架應用於這種設備的威力。為在機電整合設計入門課程中學習有刷馬達和伺服馬達的二年級學生提供一個 1/10 比例的自動駕駛平台，看著他們在探索速度/轉向控制基礎知識時積極性爆棚。

空間可及性

這讓我獲得了有意義的硬體經驗。在我的整個專業學程中，我很少獲得這樣的經驗，而且公平地說，工程科學是一個以研究為重點的理論驅動專業學程。對我來說，一門印象深刻的課程是 AER372 - 控制系統導論。這門課程的實驗室使用了 Quanser 的線性滑車，超過四個實驗室探索建模、PID 控制和狀態空間控制。這種硬體接觸增強了我在控制系統方面的整體經驗，以至於我最終又選修了三門課程（與航空學位中的其他課程相比，這些課程的專注度最高，甚至比本身專業還要高）。這種控制興趣後來成為我職業生涯的決定性因素，在過去十年中，我編寫了教學內容並開發了 Quanser 的飛行堆疊、自動駕駛堆疊等等。

*系統控制實驗室中的 Quanser 線性滑車和倒單擺（Bahen 中心 3114）*

硬體經驗不僅體現在探索概念上，而且還可以運用它做一些有意義的事情，這在很大程度上可以幫助學生不僅在畢業後保留概念，還可以利用這些知識在職業生涯中做一些有意義的事情。

觸手可及的結論

我大學和碩士課程中最好的課程往往是我最容易回憶的課程。另一方面，當我回想起為什麼我學得比別人差時，我心裡就感到很不舒服，因為我的大腦積極地避免談論它。在我看來，工程教育經驗的某些部分可以讓學生保留資訊並加以運用。傳統的工程課程用理論武裝學生，但往往缺乏實際應用。在我個人看來，他們也很晚才介紹機器人技術的應用環境。另一方面，優秀的課程和專業學程（如多倫多大學的 CIV102 的 Collins 教授、AER372 的 Barfoot 教授和AER525 的 Emami 教授）在空間和時間上都提供了可及性。他們採用解剖方法來探索複雜系統，以此來建立基礎知識，希望在未來的四年級課程中獲得一些抽象的獎勵（追逐胡蘿蔔）。如果您是學者，並且有機會進行課程改革，建議將硬體和實際應用引入課堂，從而帶來真實的體驗，讓學生的積極性、注意力和學習始終保持更穩定的水平。這些理念以及其他理念都根植於我們課程設計理念的根基，並融入我們的「機器人入門」教學實驗室和「移動機器人實驗室」等解決方案中。來體驗吧！