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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張博淳
研究生(外文):Chang, Po-Chun
論文名稱:具視覺回授之可切換足型與履帶模式機器人
論文名稱(外文):Design of a Vision-based Mobile Robot with Leg-caterpillar-convertible Capability
指導教授:鄭智湧鄭智湧引用關係
指導教授(外文):Cheng, Chih-Yung
口試委員:莊智清余國瑞黃國勝蔡清池鄭智湧
口試委員(外文):Juang, Jyh-ChingYu, Gwo-RueyHwang, Kao-ShingTsai, Ching-ChihCheng, Chih-Yung
口試日期:2015-06-17
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:視覺回授機構設計ArduinoVisual Studio藍牙OpenCV
外文關鍵詞:Visual feedbackMechanism designArduinoVisual StudioBluetoothOpenCV
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本論文將履帶與六足機器人[10]結合,使機器人具備了履帶對不平坦、破碎面的高容忍度,與六足機器人在行走跨越時的自由、靈活的優點,讓機器人可以自由切換合適的移動方式。 論文中機器人的機構設計使用SolidWorks繪圖,再經由轉檔軟體給3D印表機和CNC雕刻機來製作成型。六足機器人使用伺服馬達,共有18軸,依據各個部位施力大小來挑選不同扭力的馬達。履帶部分加裝高扭力,可以360度旋轉的馬達。因應不同部位的功能及動作來設計機構,減少移動時的干涉。 論文中機器人的電控部分主要以Arduino Mega 2560做為控制核心,並用其免費的編譯軟體來撰寫程式。用Visual Studio和OpenCV[6]撰寫影像處理程式,實現視覺回授。經由網路攝影機獲取RGB影像,在電腦端運算得到目標物質心,利用藍牙無線傳輸指令。加裝慣性感測器,取得姿態角度資訊,讓機器人可以維持平衡,不易傾倒。整合完成後,進行簡單的實驗測試其效能,記錄測試過程中所遇到的問題,以便修改程式或是機構上的問題,藉以驗證其可行性。
The thesis proposes a mobile robot which can switch between the caterpillar track and the hexapod modes. The caterpillar track vehicle can cope with uneven or rugged surfaces and the leg-type mechanism will be flexible in walking strides. For the robot mechanism, preliminary design was conducted in SolidWorks and the drawings were sent to the 3D printer or CNC machine to produce prototypes. The six-leg formation uses 18 servo motors which were selected according to their positions and functionalities. The caterpillar track was actuated by high-torque motors which can rotate freely. The supporting mechanism was designed differently and adjusted to their different movements. For the robot control, Arduino Mega 2560 control board is the key to coordinate and integrate sensor and motor components. The robot vision is developed in the Visual Studio with OpenCV libraries. Through the web camera and computer, the RGB image is captured and processed to get the centroid of the target image, which will be sent to the control board via Bluetooth interface. A gyro is also equipped in order to get the attitude information for robot balance. Finally, some simple tasks were performed to test the feasibility of this framework.
致謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 IV
圖目次 VI
表目次 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
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 工具介紹 6
2.2.1 機構加工工具介紹 6
2.2.2 軟體開發工具 7
2.3 馬達介紹 10
2.3.1 ARS-3216HTG+HV 11
2.3.2 ADS-966HTG 12
2.4 機器人機構設計 12
2.4.1 身體 14
2.4.2 腿部 15
2.4.3 基節 16
2.4.4 腿節 16
2.4.5 脛節(沒有履帶的腳) 17
2.4.6 脛節(有履帶的腳) 18
2.5 控制核心 21
2.5.1 Arduino微處理器 21
2.6 感測器 22
2.6.1 慣性感測器MPU6050 22
2.6.2 羅技C170網路攝影機 23
2.6.3 ApoEye Wireless Video Camera 23
2.7 通訊系統 24
2.7.1 TTL to USB 24
2.7.2 藍牙 24
2.8 自製電路板及電源 26
2.8.1 自製電路板 26
2.8.2 DC-DC 大功率降壓模塊 26
2.8.3 電池組 27
第三章 視覺處理與控制 28
3.1 影像處理流程 28
3.2 色彩空間 28
3.2.1 RGB色彩空間 29
3.2.2 HSV色彩空間 30
3.2.3 二值化 31
3.2.4 質心與面積 32
3.2.5 形態學介紹 33
3.2.6 侵蝕與膨脹 33
3.3 運動控制 38
3.3.1 PWM控制 38
3.3.2 自由度分析 39
3.3.3 步態分析 41
3.3.4 機械腳的運動學 43
3.4 重心與行走 45
第四章 實驗成果 48
4.1 實驗成果一: 遠端遙控 48
4.1.1 實驗目的 48
4.1.2 實驗流程介紹 48
4.1.3 實驗成果 48
4.2 實驗成果二:目標跟隨 49
4.2.1 實驗目的 49
4.2.2 實驗流程介紹 49
4.2.3 實驗成果 50
4.3 實驗成果三:姿態平衡 52
4.3.1 實驗目的 52
4.3.2 實驗流程介紹 52
4.3.3 實驗成果 53
第五章 結論與未來展望 55
5.1 結論 55
5.2 未來展望 57
參考文獻 59


[1]陳光雄,“體感創作DNA”,藍海文化,2011。
[2]趙英傑,“超圖解Arduino互動設計入門”,旗標出版股份有限公司,2013。
[3]郭宏賓,“深入淺出零件設計SolidWorks2010”,全華,2012。
[4]徐正陽,“SolidWorks 2012原廠教育訓練手冊”,全華,2012。
[5]徐柏剛,“六足機器人之步態分析與控制”,國立臺灣海洋大學,2013。
[6]Gary Bradski &; Adrian Kaebler著,于仕琪、劉瑞禎譯,“學習OpenCV ",清華大學出版社,2009。
[7]駱靜怡,“具視覺之仿生四足機器人機構設計與控制”,國立臺灣海洋大學,2014。
[8]謝泳龍,”基於Kinect 3D視覺實現類神經網路之互動機器人”,國立臺灣海洋大學,2014。
[9]鍾哲瑋,“多軸機械手臂平台之機構設計與電腦視覺回授控制”,國立台灣海洋大學電機工程學系碩士論文,2013。
[10]http://www.slideshare.net/roboard/ss-22327279六足機器人超入門簡介
[11]http://baike.baidu.com/view/7086291.htm 六足機器人
[12]http://www.playrobot.com/cart/shop.php?id=396&;pagename=&;Fno 飆機器人 六足機器人
[13]http://www.playrobot.com/cart/shop.php?id=394&;factory=&;header=&;sub=&;ctype2=&;typeid=64&;pagename=&;Fno=&;date_buy= 飆機器人履帶機器人
[14]http://robotik.dfki-bremen.de/de/forschung/robotersysteme/crex.html 六足機器
[15]http://elcodis.com/parts/3685801/MPU-6050.html MPU-6050 Datasheet
[16]http://jackedu.blogspot.jp/2015/01/hc-05.html HC-05藍芽模組設定
[17]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%97%8D%E7%89%99 維基藍牙簡介
[18]http://goods.ruten.com.tw/item/show?21434034051096 DC-DC降壓模塊
[19]http://www.electronicaestudio.com/docs/istd016A.pdf HC-05 Datasheet
[20]http://www.makerbot.com/makerware MakerWare
[21]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E5%8E%9F%E8%89%B2%E5%85%89%E6%A8%A1%E5%BC%8F 維基RGB簡介
[22]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/AdditiveColor.svg RGB混色圖
[23]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/RGB_color_solid_cube.png RGB色彩空間圖
[24]https://zh.wikipedia.org/zh-tw/HSL%E5%92%8CHSV%E8%89%B2%E5%BD%A9%E7%A9%BA%E9%97%B4 維基HSV簡介
[25]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Triangulo_HSV.png HSV色輪圖
[26]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/HSV_cone.png HSV圓錐圖
[27]http://big5.huaxia.com/tslj/lasq/2014/11/4167914.html 阿凡達三代救災機器人
[28]http://alturn-usa.com/page_003.htm ADS-966HTG ARS-3216HTG
[29]http://mail.scvs.ntpc.edu.tw/~gupeen/top1/chap10/htm/chap10-41.htm 齒輪規格

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