結合機械手臂之多功能輪型機器人

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姓名

許哲瑋(Che-wei Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

結合機械手臂之多功能輪型機器人
(The multi-function wheel robot with a robotic arm.)

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摘要(中)

本論文主要目的為完成具有於未知環境中自主避障功能，並利用裝置
於機器人上方之機器手臂進行按鍵搭乘電梯功能之輪型機器人。在自主避障功能部份，透過由伺服馬達所推動之兩個平行輪進行移動，並利用FPGA整合超音波與紅外線距離感測器所感測的環境資訊，設計完善的避障策略與模糊控制器，使機器人能在未知環境中，即使於狹窄路徑中，安全前進並避開路徑中的障礙物。在按鍵搭乘電梯功能方面，透過正向運動學與逆向運動學，控制手臂按壓目標樓層的按鍵。同時機械手也提供簡單人機互動功能，如握手、招手。最後經過多次的實驗，本論文之控制策略與功能成功地實現於此輪型機器人上。

摘要(英)

The purpose of this study aims to accomplish a mobile robot which can take the elevator automatically by using its robotic arm and avoid the obstacle in an unknown environment. In the function of obstacle avoidance, the robot moves by two parallel wheels which are driven by servo motors. We use the sonar and infrared ray sensors integrated with FPGA to collect environmental
information such that the robot can move forward with avoiding the obstacles and maintaining the safe distance in the unknown environment, even in the narrow path. In the function of elevator taking automatically, the robotic arm can press the target panel by interactively using forward kinematics and inverse kinematics. Furthermore, this robotic arm can also implement some interactive motions such as shaking hands and greeting. After a series of experiments, the results show that the robot works effectively.

關鍵字(中)

★ 多感測器整合
★ 模糊控制器
★ 正向運動學
★ 逆向運動學
★ 自主避障

關鍵字(英)

★ Inverse kinematics
★ Forward kinematics
★ Fuzzy controller
★ Sensors integration
★ Obstacle avoidance

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xi
第一章緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2文獻回顧 2
1.3論文目標 4
1.4論文架構 4
第二章系統架構與硬體介紹 5
2.1 系統架構與機構設計 5
2.2 機械手臂端硬體介紹 6
2.2.1 機械手臂肩部馬達與減速機介紹 7
2.2.2 機械手臂手肘與手腕馬達介紹 9
2.2.3 馬達驅動器介紹 10
2.3 感測器模組介紹 10
2.3.1 超音波感測器介紹 11
2.3.2 紅外線感測器介紹 11
2.3.3 觸碰開關介紹 12
2.3.4 FPGA 開發板介紹 13
2.4 機器人差動輪平台介紹 13
2.5 電腦端介紹 14
第三章感測器整合與自主避障功能 16
3.1 感測器訊號處理 16
3.1.1 感測器的整合與傳輸 16
3.1.2 超音波感測器訊號處理 17
3.1.3 紅外線感測器訊號處理 17
3.1.4 觸碰感測器 (Touch button) 訊號處理 21
3.2 機器人移動-馬達控制策略 22
3.2.1 基本行進與轉向控制 23
3.2.2 轉彎控制策略 23
3.3 自主避障策略 24
3.4 FUZZY速度控制器 32
3.4.1 歸屬函數 33
3.4.2 模糊規則庫 34
第四章機械手臂運作軌跡規劃與控制 35
4.1 運動學規劃 35
4.2 正向運動學 37
4.3 逆向運動學 41
4.3.1 機械手臂座標系定義 42
4.3.2 逆向運動學推算 43
4.4 機械手臂的控制 48
4.5 機械手臂按壓電梯面板之控制策略 49
4.5.1 關節簡化設計 50
4.5.2 關節運作軌跡 50
4.5.3 按壓力道設計 51
4.5.4 容忍誤差範圍 54
4.5.5 人機互動功能 54
第五章實驗成果 56
5.1 實驗場景介紹 56
5.2 任務一，未知環境自主避障 58
5.3 任務二，狹窄路徑行走 60
5.4 任務三，按壓電梯按鈕 61
第六章結論與未來展望 64
6.1 結論 64
6.2 未來展望 65
參考文獻 66

參考文獻

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[31] 王文俊，認識Fuzzy-第三版，全華科技圖書股份有限公司，2008年6月。

指導教授

王文俊(Wen-june Wang)

審核日期

2012-7-20

推文