[[alternative]]Two-wheeled mobile manipulator robot design and its applications

碩士[[abstract]]論文提要內容：本論文設計了一台具影像視覺系統和機械雙臂的兩輪移動式機器人，它只有兩個輪子卻能夠透過所設計的平衡控制器讓自己保持平衡而直立不會倒，更可以根據使用者的操控命令來控制機器人的位置以及方向。進一步為了驗證所設計兩輪移動式機械雙臂機器人之成果，本論文規劃了兩個不同的任務場景來進行測試，第一個任務場景是利用一顆光感測器來感測地上的黑線，並在控制器端設計一個模糊轉向控制器來使機器人可以完成追蹤黑線的任務。第二個任務場景是加上網路攝影機，機器人會自己移動到適當位置以及透過機械手臂的操作，去做一個夾取物品的動作。最後，本論文透過實測結果成功的驗證所設計的平衡控制器與轉向控制器之效果，並規劃出兩個不同的任務場景讓所設計出來的兩輪移動式機械雙臂機器人能夠加以展示其應用範圍。[[abstract]]The subject of the thesis is to present the new designing for a two-wheeled mobile robot with two arms and a vision system. The robot can balance by itself with only two wheels, and the location and direction of robot can be manipulated by moving the two wheels. To validate the effectiveness of the two-wheeled mobile robot, two different scenarios are applied in the test. In the first scenario, we use a color sensor to trace a black line, and design a fuzzy steering controller to complete the tracing mission. In the second scenario, a network camera is installed in the robot, thus the robot can move to appropriate places by itself and grab an object with its arms. Finally, the real-time experimental results show that the proposed two-wheeled mobile robot not only can authenticate both in the quality of the balance and steering controller systems but also present the application area for the new function of robot.[[tableofcontents]]誌謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VI 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3研究動機 4 1.4論文結構 5 第二章 機器人平衡與移動設計 6 2.1 硬體架構 6 2.2 控制開發板介紹 9 2.3 兩輪移動機器人數學模型與基本控制 11 2.3.1數學模型 11 2.3.2控制系統之設計 13 2.4 智慧型循跡控制系統設計 18 2.5實驗結果 21 第三章 機器人影像視覺系統 26 3.1 影像視覺系統介紹 27 3.1.1 Raspberry Pi 2開發板介紹 27 3.1.2 OpenCV介紹 28 3.1.3 影像視覺初步處理 29 3.2 硬體架構 32 3.2.1 AI伺服馬達 32 3.2.2 RC伺服馬達 35 3.3 程式架構 36 3.3.1影像資訊擷取 36 3.3.2資訊封包傳輸格式 38 3.4實驗結果 40 第四章 結論與未來展望 44 4.1 結論 44 4.2 未來展望 44 參考文獻 46 圖1-1、Pepper機器人 2 圖1-2、Jibo機器人 2 圖1-3、Zenbo機器人 2 圖2-1、兩輪移動式機械雙臂機器人硬體架構 6 圖2-2、Pololu公司所生產的直流伺服馬達 7 圖2-3、馬達驅動板MiniBT 8 圖2-4、計算馬達位置程式 9 圖2-5、Arduino Mega 2560開發板 10 圖2-6、Arduino開發環境 10 圖2-7、兩輪移動式機器人座標軸 13 圖2-8、兩輪移動機器人前進模擬圖 16 圖2-9、兩輪移動機器人原地旋轉模擬圖 17 圖2-10、GY-521感測器 18 圖2-11、光感測器讀取線條情況 18 圖2-12、所提出之平衡與轉向控制系統方塊圖 20 圖2-13、光感測器數值歸屬函數 20 圖2-14、轉向控制器輸出 之歸屬函數 20 圖2-15、機器人平衡與轉向控制軟體流程圖 22 圖2-16、陀螺儀偏移誤差量程式虛碼 23 圖2-17、受外力影響下的平衡效果 24 圖2-18、受手臂移動慣量影響下的平衡效果 24 圖2-19、受地形變化影響下的平衡效果 25 圖2-20、機器人沿黑線移動之實驗結果 25 圖3-1、所提出之機器人影像與手臂硬體照片 26 圖3-2、Raspberry Pi 2開發板 28 圖3-3、Raspberry Pi開發環境 28 圖3-4、HSV之3D模型 30 圖3-5、無燈光影響下之結果 31 圖3-6、有燈光影響下之結果 31 圖3-8、AX-12伺服馬達驅動電路 34 圖3-9、AX-12伺服馬達程式碼 34 圖3-10、MG90S伺服馬達 35 圖3-11、RC伺服馬達程式碼 36 圖3-12、夾爪照片 36 圖3-14、物品資訊 38 圖3-15、封包傳輸 39 圖3-16、各距離傳送之值 40 圖3-17、機器人抓取物品之實驗場景圖 42 圖3-18、夾取任務之硬體架構示意圖 42 圖3-19、夾取任務之程式流程圖 42 圖3-20、機器人夾取物品之實驗結果 43[[note]]學號: 603470187, 學年度: 10