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系統識別號 U0026-0909201516174600
論文名稱(中文) 自動化奉茶機器人
論文名稱(英文) An Automatic Tea Serving Robot
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 工程科學系
系所名稱(英) Department of Engineering Science
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 陳政國
研究生(英文) Cheng-Guo Chen
學號 N96021436
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-王宗一
口試委員-周榮華
口試委員-陳澤生
口試委員-吳村木
中文關鍵字 手勢辨識  影像辨識  機械手臂  雙眼視覺系統  PID控制 
英文關鍵字 Hand gesture recognition  Image recognition  Robot arm  Binocular vision  PID control 
學科別分類
中文摘要 本論文提出自動奉茶機器人的設計與建構,使之成為人們接待客人送茶水的小幫手,讓機器人產品能融入人類生活中。自動化奉茶機器人利用高扭力直流有刷馬達做為驅動,搭載具有雙眼視覺辨識與定位能力的五軸機械手臂完成服務動作、以及提供人機互動的手勢辨識系統。使用者可透過手勢告知機器人任務及目標,機器人辨識系統辨識即載入環境地圖、路徑和目標物的圖樣資料庫,影像辨識運用SURF演算法提取輸入影像的特徵點,與載入的圖樣資料做匹配,計算出目標物於三維空間中的位置,並透過其所求出的位置資訊驅動機械及其手臂順利到達所要求之位置,完成倒水服務。
本文利用雙攝影鏡頭,並使用座標轉換(coordinate transformation)公式推導出三維重建座標,將物件影像中的二維像素座標轉換成空間中之三維座標,以辨識出物件於真實世界中的正確位置。利用手勢辨識達到人機互動的目的。機器人底盤的直流有刷馬達透過PID速度控制成功穩定機器人行走速度與路徑。
英文摘要 This study designs and implements an automatic water (tea) serving robot that can be fitted into human daily life and become a handy helper. The service robot uses a high torque DC brush motor as the driving force for moving. For human interaction, it is equipped with a binocular vision system to identify human hand gestures and object locations, and a five-axis robot arm to complete the service. By using hand gestures, guests can signal the robot to start its services. Upon receiving hand gesture from a guest, the robot starts to load the objective image patterns, the environment map, and the path information. It then uses image recognition algorithms to extract SURF feature points of the input hand gesture images, try to match them with image patterns’, and, in case of any success, use loaded map and path information to guide the robot to move to a fixed position opposing the desk in front of the guest. The robot then uses its binocular vision system to identify the mug on the desk, calculates the position of the mug in the three-dimensional space, and drives its five-axis robot arm, carrying a bottle of water or tea, to the correct position to pour water or tea into the mug. The robot can serve three guests simultaneously in a same run.
This study, using the binocular vision system, can successfully identify an object’s correct position in the real world by using the coordinate transformation formula to derive a three-dimensional reconstruction of the two-dimensional pixel coordinates of the object’s image. Hand gesture recognition achieves human-computer interaction. The DC brush motors on the robot’s chassis, controlled by a PID, make robot walking stably along a successfully planned path. Several experiments are conducted to verify the functionality of this robot successfully.
論文目次 中文摘要 I
Extended Abstract II
誌謝 VI
目錄 VII
圖目錄 XII
表目錄 XV
第 一 章 序論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 手勢辨識研究 2
1.2.2 影像辨識研究 2
1.2.3 機械手臂研究 3
1.2.4 視覺定位研究 4
1.2.5 控制器研究 4
1.3論文架構 6
第 二 章 系統架構與硬體介紹 7
2.1 整體系統架構 7
2.2驅動與電路系統硬體介紹 8
2.2.1 PIC16F887單晶片 9
2.2.2 馬達驅動IC 11
2.2.3 光耦合器 11
2.2.4馬達硬體介紹 12
2.2.4.1直流有刷馬達 12
2.2.4.2 AI伺服馬達 14
2.2.5 Logitech網路攝影機 16
2.2.6紅外線感測器 17
2.2.7自走車體介紹 18
第 三 章 系統流程與實現 20
3.1 系統控制流程 20
3.2 手勢辨識 21
3.2.1 手勢判斷流程 21
3.2.2 色彩模型 22
3.2.3 背景相減 23
3.2.4 形態學 24
3.2.4.1侵蝕(Erosion) 24
3.2.4.2膨脹(Dilation) 25
3.2.4.3閉合(Closing) 25
3.2.4.4斷開(Opening) 26
3.2.5 邊界搜尋 26
3.2.6 手指搜尋 27
3.2.7 手勢判斷實驗 28
3.3 SURF影像辨識 29
3.3.1 積分圖像 29
3.3.2 Hessian 矩陣 30
3.3.3 近似Hessian 矩陣 31
3.3.4 尺度空間 32
3.3.5 興趣點定位 34
3.3.6 興趣點描述子 35
3.3.6.1興趣點主方向 35
3.3.6.2基於Harr興趣點描述子 37
3.3.7 本章總結 38
3.4 雙眼視覺定位系統 39
3.4.1 CMOS成像原理 39
3.4.2 影像座標與手臂座標轉換 42
3.4.3 影像三維定位介面 43
3.5 五軸機械手臂 44
3.5.1 座標系統建立與分析 44
3.5.1.1座標系統建立與分析 45
3.5.1.2方向的描述 46
3.5.1.3齊次轉換矩陣 48
3.5.2 順向運動學 49
3.5.2.1順向運動學定義 49
3.5.2.2 D-H法則 49
3.5.2.3機械手臂座標建立 51
3.5.2.4順向運動學的推導 52
3.5.3 逆向運動學 54
3.5.4 機械手臂姿態模擬與驗證 55
3.5.4.1 Matlab Robotics 工具庫 55
3.5.4.2模擬結果 56
3.6 馬達PID轉速控制 58
3.6.1 馬達控制器設計 60
3.6.2 比例控制器 60
3.6.3 PI控制器 60
3.6.4 PD控制器 61
3.6.5 PID控制器 62
3.6.6 PID控制器實驗 63
第 四 章 實驗方法與結果討論 65
4.1 實驗方法 65
4.2實驗結果與討論 72
第 五 章 結論與建議 73
5.1 結論 73
5.2 建議 74
參考文獻 75
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  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2015-09-11起公開。
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