臺灣博碩士論文加值系統

　　本論文主要是以兩種不同的建構方式進行四足機器人的設計與實現，其中首先使用3D印表機列印ABS樹脂模型的方式製作機構，之後再嘗試利用CNC雕刻機切割三釐米厚塑膠板的方式製作機構。由於材料與工法的不同，兩機器人尚有許多不同的機構設計藉以拼接伺服馬達與相關連桿，來完成所需動作。另外兩機器人皆結合視覺影像處理與三軸感測，進行各項姿態控制與人機互動實驗。
　　系統中的軟硬體架構部分使用Arduino Mega 2560作為電路開發核心，可同時驅動至少三十顆伺服馬達，與接收多組類比訊號，其中包括使用三軸感測器，可得知四足機器人目前姿態的資訊，可進行自動翻身與平衡的動作。另外通訊介面使用藍芽模組可使機器人與電腦或手機傳輸訊息。主控系統使用Visual Studio 2008 C++開發人機介面，可編寫指令組測試動作，取得數位攝影機影像資料，應用OpenCV2.1進行色彩追蹤等的影像處理，最後再以藍芽回傳動作指令給機器人完成任務。

The objective of this thesis is to design two bionic quadruped robots, one with normal foot structure and another with spring leg structure. Use 3D printer to print ABS model for the first robot, and carve 3mm plastic plates by the engraving CNC for the second robot. Due to different materials and construction methods, these two robots have many different structures and mechanism designs. However, both are actuated through servo motors, and equipped with a camera and a 3-axial sensor for many interactive experiments.
The system uses Arduino Mega 2560 as a hardware development platform, which can drive at least 30 servo motors, and receive analog inputs including a 3-axial sensor for the robot orientation modification. Bluetooth interface is used for robot to communicate with computer or cellphone. Use Visual Studio 2008 C++ to develop a human machine interface (HMI) which can read and write servo angles to test robot, and catch and analyze digital image data with OpenCV2.1 to accomplish the tracking task.

致謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 IV
圖目次 VII
表目次 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 論文架構 3
第二章 系統軟硬體架構 4
2.1 系統架構簡介 4
2.2 馬達介紹 5
2.2.1 伺服馬達 5
2.2.2 伺服馬達固定架 6
2.3 一般腳部結構的機構設計 7
2.3.1 機構設計與3D印表機 7
2.3.2 機器腳 8
2.3.3 機器尾巴 9
2.3.4 機器頭部 12
2.3.5 中間連結點 15
2.3.6 頸部連接點 17
2.3.7 一般結構完成 18
2.4 壓簧腳部結構的機構設計 20
2.4.1 機器腳機構設計 20
2.4.2 避震器 21
2.4.3 前半身機構設計 22
2.4.4 中間機構設計 23
2.4.5 後半身機構設計 23
2.4.6 壓簧腳部機構完成 24
2.5 控制核心 26
2.5.1 Arduino微處理器 26
2.5.2 PWM控制 27
2.6 三軸加速度傳感模組 27
2.7 通訊系統 28
2.8 自製電路板 28
2.9 數位攝影機 30
2.9.1 SONY數位攝影機 30
2.9.2 Apoeye數位無線攝影機 30
2.10 主控電腦 31
2.11 軟體開發工具 32
2.11.1 AutoCAD 2012 32
2.11.2 Makerware 32
2.11.3 Solid Works 2010 33
2.11.4 Matlab 33
2.11.5 IDE工具 34
2.11.6 OpenCV 36
2.11.7 PC APP 36
第三章 視覺處理與控制 37
3.1 影像處理流程 37
3.2 色彩空間 37
3.2.1 RGB色彩空間 37
3.2.2 HSV色彩空間 37
3.2.3 二值化 39
3.2.4 膨脹與侵蝕 39
3.2.4.1 膨脹 39
3.2.4.2 侵蝕 40
3.2.5 質心與面積 40
3.3 運動控制 41
3.3.1 自由度分析 41
3.3.2 機械腳的運動學 43
3.4 重心與運動關係 45
3.4.1 重心與四足機器人 45
3.4.2 重心與行走 47
3.4.3 重心與翻身 47
第四章 實驗成果 49
4.1 實驗成果一： 翻身 49
4.1.1 實驗目的 49
4.1.2 實驗流程介紹 49
4.1.3 實驗成果 50
4.2 實驗成果二：追蹤物體 52
4.2.1 實驗目的 52
4.2.2 實驗流程介紹 52
4.2.3 實驗成果 52
4.3 實驗成果三：行走 54
4.3.1 實驗目的 54
4.3.2 實驗成果 54
4.4 實驗成果四：互動踢球 65
4.4.1 實驗目的 65
4.4.2 實驗成果 65
第五章 結論與未來展望 67
5.1 結論 67
5.2 未來展望 68
參考文獻 69

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