【教評STEAM教室】底盤設計是機械人比賽制勝關鍵？
近年來，社會對STEAM教育的重視日益增加，國家也提出了「科教興國」的發展戰略。因此，許多中小學積極推動STEAM教育，融入各種創新科技元素，以促進學生的全方位發展，培養他們的解決問題能力和創意思維。
在這一過程中，特別強調學生要「動手解決問題」，而機械人設計正是備受歡迎的實踐領域之一。像香港少年工程挑戰賽、大疆教育的機甲大師空地協同對抗賽等活動，均吸引了眾多中小學的熱烈參與，成為培養學生實踐能力的重要平台。學生們透過定義比賽任務中的要求，設計、測試並不斷改良機械人，從而實踐跨學科學習及展現工程設計思維。
麥克納姆輪讓機械人「橫着走」
日常生活中看到的汽車，前進後退容易，但若要轉彎，必須預留空間讓輪胎轉向從而過彎，但於機械人比賽中，比賽場地沒有了行車線的限制，也有很多不同障礙物，因此為了使機械人能快速到達不同的地點，成為了每項機械人比賽中的基本要求。讀者們如嘗試留意不同的機械人比賽，會發現機械人不像傳統汽車，除了前進後退外，更能橫向平移、斜角移動甚至原地旋轉。為了實現全方向移動，機械人不同的底盤設計了決定性的關鍵，今天筆者會介紹其中一種於學界比賽中常見的設計，便是麥克納姆輪。
1970年代，一位瑞典工程師本特·艾隆發明了麥克納姆輪，有別於一般的車輪，麥克納姆輪的輪邊有多個斜向的輥子。當麥克納姆輪旋轉時，斜向的輥子與地面的摩擦力會產生反作用力，而這一個斜向的推力可分拆成縱向及橫向的力，而當四個麥克納姆輪旋轉以不同組合的方向旋轉時，便會產生不同組合的「向量合力」，使機械人達至全向移動，如左前輪與右後輪以相同方向轉動，右前輪與左後輪則以相反方向轉動，便會產生一個橫向的合力，從而達至橫向移動；又如左方的輪子及右方輪子以相反方向轉動時，便能達至原地旋轉的效果。
就算有了靈活的麥克納姆輪，若動力分配錯誤，機械人可能「空有速度卻推不動球」，或「力量十足但慢如烏龜」。這時，我們可以透過齒輪比來解決問題。
齒輪系統的本質是「能量轉換器」。根據能量守恒定律，馬達輸出的功率（Power）＝轉速（RPM） × 扭力（Torque），即是轉速與扭力成反比的關係。當我們希望車子能夠有更快的轉速，就必須透過犧牲車子的扭力；而如果我們希望車子能有更大的力量，就必須犧牲車子的速度。
齒輪比的實戰策略
公式：齒輪比＝驅動齒輪的齒數 ÷ 被驅動齒輪的齒數
1.小齒輪驅動大齒輪（例如1：3）
轉速降低至1/3，扭力提升3倍。
應用：搬運重物、爬坡、機械手臂舉升。
2.大齒輪驅動小齒輪（例如3：1）
轉速提升3倍，扭力降至1/3。
應用：競速、快速移動的巡線機械人。
機械人底盤的設計，融合了物理學的向量分析、數學的齒輪比例，以及工程師的解難創意。當我們看着機械人在賽場上競技時，不妨多留意機械人的設計，看看當中裏面巧妙的機械結構及設計。
●陳恩鴻 香港道教聯合會圓玄學院第三中學 STEAM教育統籌主任
