教育型機器人之構設計與控制

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林濰(Wei Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

教育型機器人之構設計與控制

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摘要(中)

本論文以低成本的材料與零件設計製作一個互動型教育機器人。此機器人由機器頭與機械手臂兩個部分組成，在機器頭的機構上，由伺服馬達、伺服機及連桿式結構控制臉部表情的可動點，如眼皮、頸部、眼睛、眉毛與嘴巴，讓機器人臉部產生表情。在機械手臂機構上，利用輕量化壓克力框架製作六軸機械手臂。並透過逆向運動學與控制策略控制機械手臂。此機器人配合[1]完成互動與教育的功能，其功能包含：一、英文與數學的教學，由[1]辨識圖卡與數學符號，接著利用逆向運動學控制機器手臂拿取方塊排列出正確答案。二、模仿上肢與臉部動作，[1]提供使用者臉部表情與上肢動作的資訊，控制機器人的臉部與手臂模仿使用者。三、追蹤及碰觸色球，[1]辨識出色球的移動方向，透過模糊控制器設計，持續修正頸部二軸馬達角度讓頭部面向並追蹤色球，當色球停止移動時，控制機器手臂碰觸色球。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教育型機器人上。

摘要(英)

The purpose of this study aims to design an interactive educational robot with low-cost materials and parts. This robot is composed of two mechanisms. One is robotic head, and the other is robotic arm. To execute facial expression, the servo motors and servos are combined with the linkage structure for robotic head to control the movement point. The movement points are eyelid, neck, eye, eyebrow, and mouth. Subsequently, the robotic arm with 6 degree of freedom constructed by the acrylic frame is controlled by using the inverse kinematics and motion strategy.
This robot is capable of implementing the interactive and educational functions by cooperating with [1]. These functions are (1) English and math teaching, (2) the upper posture and facial expression imitation, and (3) color balls tracking and touching. Firstly, the robot can identify the pictures and math further control the robotic arm to array the right answer by inverse kinematics. Secondly, the robot can imitate the humans’ upper posture and facial expression by controlling the robotic head and arms. Finally, the robot can identify the color movement direction and adjust the motors installed in the neck by designing the fuzzy controller to continuously track the color ball. When the color ball stops, the robotic arm will touch the ball. After a series of experiments, the results show the robot to accomplish the three functions effectively.

關鍵字(中)

★ 教育型機器人
★ 機器頭
★ 機械手臂
★ 模糊控制器
★ 運動學

關鍵字(英)

★ Educational robot
★ Robotic head
★ Robotic arm
★ Fuzzy controller
★ Kinematics

論文目次

摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文目標 4
1.4 論文架構 5
第二章系統硬體介紹與機構設計 6
2.1 整體硬體架構 7
2.2 雙眼機械頭機構介紹 10
2.2.1 頸部機構與規格 12
2.2.2 眼睛機構與規格 13
2.2.3 嘴巴機構與規格 15
2.2.4 眉毛機構與規格 16
2.2.5 眼皮機構與規格 17
2.2.6 頭部外觀介紹 19
2.3 機械手臂機構介紹 20
2.3.1 肩部機構及規格 22
2.3.2 手肘機構及規格 23
2.3.3 手腕機構及規格 24
2.3.4 電磁鐵模組介紹 25
2.4 電腦端介紹 28
第三章臉部表情規劃與頸部動作控制 29
3.1 頭部硬體控制 29
3.1.1 PWM伺服機控制方法 29
3.1.2 AI伺服馬達控制方法 30
3.2 頭部動作規劃 31
3.2.1 情緒行為之控制架構 31
3.2.2 臉部表情及頸部動作規劃 32
3.3 頭部追蹤色球控制 37
3.3.1 影像區域化建立 38
3.3.2 模糊控制器設計 39
第四章機械手臂控制與拿取決策 44
4.1 運動學簡介 44
4.2 正向運動學 45
4.3 逆向運動學 48
4.3.1 機械手臂座標系 49
4.3.2 幾何觀點法之逆向運動學推導 50
4.4 機械手臂策略 56
4.4.1 拿取方塊策略 58
4.4.2 放置結果區策略 60
第五章功能呈現 63
5.1 實驗場景介紹 63
5.2 功能一，模仿上肢與臉部動作 64
5.3 功能二，算術互動教學 65
5.4 功能三，英文互動教學 67
5.5 功能四，追蹤及碰觸色球 69
第六章結論與未來展望 72
6.1 結論 72
6.2 未來展望 72
參考文獻 74

參考文獻

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指導教授

王文俊(Wen-June Wang)

審核日期

2013-7-15

推文