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系統識別號 U0026-3108201713494200
論文名稱(中文) 可跨樓層遞送物件之模組化載具建造
論文名稱(英文) Building a Modularized Delivering Robot Between Floors
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 105
學期 2
出版年 106
研究生(中文) 洪于峻
研究生(英文) Yu-Jun Hong
學號 N96041397
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-王宗一
口試委員-周榮華
口試委員-王榮泰
口試委員-陳澤生
口試委員-吳村木
中文關鍵字 動態避障  機械手臂  跨樓層  自走機器人  PID控制 
英文關鍵字 Mobile Robot  Robot arm  cross-floors  PD control 
學科別分類
中文摘要 本論文提出跨樓層模組化服務機器人的設計與建構。為了完成任務中的服務需求,機器人配置各種感測模組來輔助沿著所規畫路徑行走及避障,並搭載四軸機械手臂,以完成服務任務。
為了適應各種不同作業系統,以及在更改主控制時,不需要從新撰寫各感測模組程式與連結,因此本論文以整個車體模組化為出發主軸。而現今人類生活建築大多為電梯大樓,因而本研究研製一台可跨樓層運送物件的模組化設計之服務機器人。另外環境中會出現不特定因素(如其他行人、環境內部擺設更動等),造成機器人無法順利抵達目的地,因此本研究賦予機器人動態閃避障礙物能力以確保其能快速且安全抵達目的地。使用者可透過手機介面告知機器人的任務及目標,再由主系統傳輸控制指令,讓機器人能完成多樣任務。
實作部分本研究利用超音波感測器作為障礙物的判斷依據,主系統部分則利用四顆單晶片Microchip dsPIC30F4011進行馬達PD轉速的控制、感測器訊號的接收及核心處理控制,穩定機器人行走速度與路徑。
英文摘要 This study designs and constructs an modularized automatic service robot working among floors. To meet the service needs of missions, the robot is equipped with various sensing modules to assist on moving along the planned path and avoiding obstacles. It also has a four-axis robotic arm for completing the missions of delivering services.
This study has the core idea to make the robot modularized in order to work in various operating systems and to avoid rewriting and reconnecting the codes for sensing modules when the master control unit is changed. In the meantime, nowadays, people are living and working in multi-floors buildings, the service robot is designed to work and roam among floors by taking elevators. There are always unpredictable factors along the path (e.g. pedestrians, changed environment, and so on) that may cause the robot unable to reach the designated destinations. The robot has to equip with dynamic obstacle avoiding functionality to make sure it can arrive at a destination promptly and safely. Users can arrange services via an app on a cell phone, which notifies the master control unit to load the map and plan the path to the destination to complete a mission. Following the way to the destination, the robot uses the machine vision to obtain the coordinate of the button for calling an elevator, uses the robotic arm to push the button and waits for the elevator, and, when in the elevator, again uses the machine vision to check the display panel for the target floor of the destination. The robot uses ultrasonic sensors as a basis for judging dynamic obstacles by using an algorithm updated from a previous research. The hardware of the center control unit includes four single-chip microcomputer dsPIC30F4011 that control motors by using PD model for controlling rotating speed, perform sensors data evaluation and core control processing, and stabilize the robot’s motions, including walking speed and path following.
論文目次 中文摘要 I
Extended Abstract II
誌謝 VI
目錄 VII
圖目錄 XI
表目錄 XIV
第 一 章 序論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 1
1.2.1 自走機器人跨樓層研究 2
1.2.2 機器人結構研究 3
1.2.3 機械手臂研究 3
1.2.4 感測器研究 4
1.2.5 控制器研究 5
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 dsPIC30F4011單晶片 9
2.2.2 OpenCM9.04控制器與擴充版OpenCM485 11
2.2.3 馬達驅動板 12
2.2.4馬達硬體介紹 13
2.2.4.1直流有刷馬達 13
2.2.4.2 AI伺服馬達 15
2.2.5蜂鳴器 17
2.2.6 Logitech網路攝影機 17
2.2.7紅外線感測器 18
2.2.8 MCP2551-I/SN Microchip 20
2.2.9自走車體介紹 20
2.3障礙物感測模組 22
2.3.1 HC-SR04 超音波感測模組 23
第 三 章 系統流程與實現 26
3.1 系統控制流程 26
3.2動態視窗法Dynamic Window Approach 27
3.3障礙物偵測 29
3.4自走車運動控制及回授 32
3.5影像座標與手臂座標轉換 34
3.6四軸機械手臂 36
3.6.1座標系統建立與分析 36
3.6.1.1座標系統建立與分析 37
3.6.1.2方向的描述 38
3.6.1.3齊次轉換矩陣 41
3.6.2順向運動學 41
3.6.2.1順向運動學定義 41
3.6.2.2 D-H法則 42
3.6.2.3機械手臂座標建立 43
3.6.2.4順向運動學的推導 44
3.6.3逆向運動學 46
3.6.4機械手臂姿態模擬與驗證 47
3.6.4.1 Matlab Robotics 工具庫 48
3.6.4.2模擬結果 48
3.6.4.3手臂模組控制及驗證 49
3.7馬達PID轉速控制 52
3.7.1馬達控制器設計 53
3.7.2比例控制器 53
3.7.3 PI控制器 53
3.7.4 PD控制器 54
3.7.5 PID控制器 55
3.8 CANBUS 56
3.8.1 CANBUS概要 56
3.8.2 CANBUS架構與系統應用 57
第 四 章 實驗方法與結果討論 59
4.1 機器手臂抓取實驗 59
4.2 按電梯實驗 61
4.3動態閃避障礙物 62
4.4實驗結果與討論 64
第 五 章 結論與建議 65
5.1 結論 65
5.2 建議 65
參考文獻 67
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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2017-09-14起公開。
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