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履带机器人


亞 東 學 報 第 32 期 民國 101 年 12 月 37 - 44 頁

Journal of Oriental of Technology Vo l . 3 2 , D e c e m b e r 2 0 1 2 p p . 37 - 44

履帶型機器人研製
許文昌 1,* 白瑞翔 1 曾俊文 1 呂翎維 1<

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摘要
本文主要內容係履帶型機器人之研製,硬體部份 以 ASUS Eee BOX 電腦與 Basic Stamp 單晶片為主體 核心 , ASUS Eee BOX 透過 RS232 傳輸介面將動作命 令傳輸給 Basic Stamp 單晶片,再透過馬達驅動控制 器來控制兩顆直流伺服馬達,當成履帶型機器人的動 力。另外在履帶車上加裝多功能感測器、視訊設備和 機械手臂,以達到居家巡邏之目的,其中多功能感測 器是利用串列傳輸的方式,將量測值傳回電腦讀取並 且顯示 , 同時搭配 USB Webcam 視訊設備可進行影像 擷取辨識與錄放影等功能,而機械手臂可用來移動物 品。軟體主要是以 LabVIEW 圖控語言與 PBasic 語言 來開發程式,LabVIEW 圖控語言主要用來開發人機 介面程式;至於 PBasic 語言用來開發 Basic Stamp 單 晶片程式。 本研究實施後,已成功利用上述之硬體架構,結 合開發之軟體,完成之目標如下 :(1)可控制履帶型機 器人的方向與速度 。 (2)編輯路線使履帶型機器人可以 方便的在家中巡邏 。 (3)機械手臂的五軸馬達可以抓取 物品、進行控制,並可編輯機械手臂動作。(4)可讀取 環境之分貝、照度、溫度、濕度及風速資料,顯示在 螢幕上,並可以警示光線與溫度異常狀態。(5)可以抓 取人體臉部影像進行辨識,並具備錄影與放影等功能。 (6)可利用無線遙桿以控制履帶型機器的動作。 (7)可 利用 XP 作業系統內建的遠端連線,進行遠端操控履 帶型機器人。 關鍵詞:LabVIEW 圖控語言、PBasic 語言、Eee Box 電腦、Basic Stamp 單晶片、多功能感測器、 USB Webcam、RS232 傳輸介面。

壹、 前言
根據國際機器人協會(IFR)官方統計報告指出目 前市面上的家用服務機器人,主要用於教育娛樂與家 庭清潔為主軸,而開發家用服務機器人所需的技術與 資金要求較低,因此本團隊選擇了小型服務機器人為 主要開發研究的主軸,這樣比較容易達到我們設定的 教育訓練目標。 而本文要介紹的是履帶型機器人研製,此機器人 可擔任家庭守護尖兵,當作居家保全系統,讓家中無 人時也能透過遠端系統得知家中的一舉一動,並即早 作出反應以減少不必要的損失;另外加入環境監測系 統,讓使用者能掌握家中環境的變化,另外再裝置機 械手臂,為了讓機器人可以夾取物品,進行障礙排除 或與小孩子進行互動。

貳、 系統架構
履帶型機器人的完成品如圖一所示,其系統架構, 可從硬體架構與軟體流程圖來說明:

1

亞東技術學院電機工程系 *通訊作者:許文昌 E-mail:fe026@mail.oit.edu.tw

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受搖桿或人機界面中運動控制訊號,然後透過 XBee 無線傳輸,將馬達的控制命令傳送給 Basic Stamp 單晶片,然後 Basic Stamp 單晶片轉成控制 器的封包格式,透過串列傳輸訊號傳送給直流馬 達驅動器,直流馬達驅動器接收串列傳輸訊號後 產生 PWM 訊號控制履帶型車動作,可控制機器 人方向與速度。 2. 至於機械手臂部份,原理與運動控制相似,只是 機械手臂的控制,是由 Basic Stamp 單晶片的 I/O 腳控制 TA7279P 馬達驅動 IC 來讓馬達動作。 3. 多功能感測器部份,是當多功能感測器感接受量 圖 1 履帶型機器人的完成品 一、 履帶型機器人的硬體架構如圖二所示,整個硬 體是由 ASUS Eee BOX、Basic Stamp 單晶片、XBee 無線模組、履帶車、多功能感測器、USB Webcam、 直流馬達驅動器、Xbox 360 無線搖桿和機械手臂所 組成。其動作原理說明如下: 1. 在機器人運動控制部份,是由 ASUS Eee BOX 接 測命令後,開始量測環境參數包括分貝、溫度、 濕度、風速與照度等量測值,然後透過串列傳輸 方式將量測資料回傳,再由 LabVIEW 圖控軟體 來處分與顯示。 4. 影像處理部份,透過 USB Webcam 擷取影像,作 為開啟介面的鑰匙及錄影和播放前方影像。

圖 2 履帶型機器人的硬體架構

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二、履帶型機器人的軟體流程圖說明如下: 1. 人機介面程式流程圖 人機介面程式流程圖如圖三所示,使用者進入 人機介面後開始辨識臉部影像,辨識成功後即可進

行各動作的控制,包括動作控制、搖桿控制、編輯 路線、機械手臂、感測器與前方影像,當動作完成 後,切換介面即可進行其他動作的控制,欲停止程 式時按下停止鍵結束所有流程。

圖 3 履帶型機器人機介面程式流程圖

2. Basic Stamp單晶片程式流程圖 如圖四所示,在Basic Stamp 單晶片的PBasic程 式中,我們先等待LabVIEW圖控語言輸入參數進行 副迴圈的選取,然候藉由 PBasic 程式裡的 case 指令 來判斷要進入的副迴圈,副迴圈分別有馬達控制、 機械手臂控制、感測器控制,馬達控制部份,先選 擇馬達轉向,再載入轉速後,即可執行車子的移動

與轉向,機械手臂控制部份,選擇手臂馬達軸承與 正反轉動作後,手臂就可做出抓取等動作,而感測 器控制,只要執行開關與切換量測項目的功能後, 就可在LabVIEW人機介面讀取到數值,當執行完迴 圏的動作後,返回繼續等待 LabVIEW 執行選擇動 作。

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圖 4 Basic Stamp 單晶片流程圖

參、 實體實作
履帶型機器人整體外觀如圖一所示,其實體實 作包括硬體實作與軟體實作兩部份,說明如下: 一、硬體實作包括以下元件,簡單說明如下: 1. ASUS Eee BOX:如圖五所示,ASUS Eee BOX內建 Windows XP作業系統 , CPU使用Intel Atom N330, 顯示卡為NVIDIA ION 高畫質顯示晶片,記憶體 是DDR2 2GB,硬碟機空間有320GB。 圖 6 BASIC Stamp 外觀及元件示意圖 3. Robotics connection履帶型自走車機座內含直流伺 服馬達:如圖七所示。

圖 5 ASUS Eee BOX 2. 履帶型自走車的控制核心 -BASIC STAMP: 如圖 六所示,Basic Stamp微控制器,體積小、整合性 高且易於擴展、學習門檻低。 圖 7 履帶型自走車外觀 4. 直流伺服馬達控制器:如圖八所示,直流伺服馬達 控制器由美國Parallax 公司所製造,電壓範圍 6 ~

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18V 、 峰值電流大小3 Amp Peak 、 控制軸數為單軸 、 PWM 頻寬為 2KHz 、串列傳輸速度 2000 ~ 40000 bps、尺寸3.6cm x 3.6 cm。直流伺服馬達需要七個 腳位來達成指令的傳送,其中有兩個腳位是 Vcc 與 GND 為單晶片使用,另外兩個腳位是 VIN 與 GND為輸入馬達電壓使用,還有兩個腳位為輸出 馬達的正負電壓使用,最後一個腳位是輸入串列 傳輸訊號使用。 圖 9 XBee 模組(左)、XBee 連接板(右上)、XBee 對 USB 連接板(右下) (飆機器人提供) 6. SL-4112 多功能感測器 : 如圖十所示, SL-4112 多 功能感測器具有分貝、溫度、濕度、風速、照度 等功能,所有產生的數據都以 16 進制位元透過 RS232回傳給電腦。

圖 8 直流伺服馬達控制器外觀 5. XBee 無線模組:如圖九所示 , 包括 XBee 無線模組 , XBee 連接板與 Bee 對 USB 連接板,其資料傳 送速率最大 250kbps , 工作範圍 1mile (1500m)、 低功率的無線感測網路。 圖 11 Logitech USB C120 Webcam

8. MR-999機械手臂:如圖十二所示,MR-999機械手 臂由日本ELEKIT公司所製造,用五軸馬達控 制機械手臂的動作,電壓可達3~6V,最高延伸可 達510mm,最長半徑延伸可達360mm。

圖 10

SL-4112 多功能感測器

7. Logitech USB Webcam: 如 圖 十 一 所 示 , 使 用 Logitech USB Webcam來作為機器人的前方影像。 擷取高畫質 VGA (640 x 480) 視訊與 130 萬像素 (軟體增強) 影像。利用LabVIEW裡的IMAQ USB Function,就能擷取Webcam攝取的影像。 圖 12 MR-999 機械手臂

9. MR-999 機械手臂驅動 電路 板 : 如圖十三所示 , MR-999 機械手臂驅動電路板由 TA7279P IC 所組

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成,一組TA7279P IC可以控制兩顆直流馬達,機 械手臂為五軸馬達,因此採用3顆TA7279P IC。

部畫面確認後,就可以點擊進入到動作控速功能。

圖16

歡迎使用介面

2. 動作控速介面:如圖十七所示,此介面使用者可以 圖 13 MR-999 機械手臂驅動電路板 用滑鼠點擊,對應的方向按鍵,對履帶車進行前、 後、左、右及轉速的控制,根據點取到的按鍵來 進行動作,最後再將馬達轉向及轉速合併,即可 做出履帶車的動作控制。

10. 無線搖控器:如圖十四所示,為XBOX 360無線搖 控器,本人機介面除了讓使用者能用滑鼠控制之 外,還提供了搖控器控制人機介面的功能。

圖 14

XBOX 360 無線搖控器

圖17

動作控速介面

二、軟體人機介面介紹如下: 1. 歡迎使用介面:如圖十五所示,第一次進入此介面 時,先擷取使用者影像當辨識樣板。

3. 搖桿控制介面: 如圖十八所示,此介面可讓機器 人藉由搖桿進行操控,可以操控機器人行徑的前 進、後退、左轉、右轉與機械手臂的五軸所有控 制。

圖15

歡迎使用介面(擷取樣板)

圖 18

搖桿控制介面

如圖十六所示,進入歡迎使用者介面之後,辨識視 窗會將視訊畫面與擷取圖片樣本進行比對,辨識臉

4. 編輯路線介面: 如圖十九所示,可讓使用者編輯 機器人的動作,且能將編輯完成之動作儲存,編

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輯路線介面,主要功能有: (1) 編輯並紀錄機器人的行徑路線。 (2) 進行回歸,使機器人回復到最初出發的地點。 (3) 執行所編輯的腳本。

圖 21

感測器介面

7. 視訊介面:如圖二十二右邊所示,前方影像介面能 夠利用USB Webcam將機器人前方影像錄製起來, 還加入當時的日期與時間,並能隨時播放錄影完 圖19 編輯路線介面 成之影像。

5. 機械手臂操作介面:如圖二十所示,機械手臂操作 分成兩種模式,一種是使用者自行操控,另一種 為編輯模式,其介面主要功能有: (1) 使用者自行操控機械手臂所有動作 (2) 編輯機械手臂動作。 (3) 使機械手臂回復到最初的方向。 (4) 送出所編輯的腳本。

圖 22

右方為視訊介面

伍、結論
履帶型機器人的主要成果如下: 1. 利用Basic Stamp的程式控制履帶型機器人以及機 械手臂的動作。 圖 20 機械手臂介面 2. 運用LabVIEW 圖控語言 , 設計出歡迎使用介面、 動作控速介面、搖桿控制介面、編輯路線介面、 機械手臂介面及感測器介面。 3. 編輯路線使履帶型機器人可以方便的在家中巡邏, 當使用者編輯好路線之後,機器人就可以執行所 編輯的腳本。 4. 機械手臂的五軸馬達可以經由 LabVIEW 圖控語 言進行控制抓取物品,也可以編輯機械手臂動 作。 5. 多功能感測器可以讀取分貝、照度、溫度、濕度 及風速資料,並顯示在螢幕上,並可以警示光線

6. 感測器介面 : 如圖二十一所示,可讀取環境中的 各種數值,且能偵測數值範圍並提醒使用者,介 面主要功能有: (1) 經由光感測器量測環境的亮度。 (2) 測量環境溫度。 (3) 測量環境中的分貝大小。 (4) 測量環境中的乾溼程度。 (5) 測量風速。 (6) 警示燈可將環境中的數值進行比較,若是超出 範圍將提醒使用者注意。

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與溫度異常。 6. 影像處理方面,歡迎使用介面上可以抓取人體臉 部影像進行辨識,前方影像介面具有錄影與放影 等功能。 7. 為了方便操控履帶型機器人,無線遙桿可以控制 機器人做出各式各樣的的動作。 8. 機器人號透過XP作業系統內建的遠端連線,進行 遠端操控。 履帶型機器人在學生訓練的成果與貢獻,總結 如下: 1. 第三屆「2011新銳展翅-微電腦應用大賽」佳作。 2. 將一些技術轉為教學內容或寫成教案,應用到微 處理機實務及圖控語言實務教學。

3. 許永和,「介面設計與實習-LabVIEW」,全華 科技圖書股份有限公司。 4. 謝澄漢「LabVIEW入門與實作」,宏友圖書開發 有限公司。 5. 廖炳松,「LabVIEW介面控制實習」,全華科技 圖書股份有限公司。 6. 徐瑞隆,「LabVIEW程式設計入門」,新文京圖 書公司。 參考使用手冊: 7. Pololu 3A DC具迴授控制(with feedback)的馬達控 制器。 http://www.pololu.com/file/download/smc03a_guid e.pdf?file_id=0J61 8. Robotics with the Boe-Bot? robot 9. http://www.playrobot.com/microcontroller/product %20information/educationkits/u28154.html 10. XBee Pro 60mW Wire Antenna通訊模組 11. http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigb ee/XBee-Datasheet.pdf

參考文獻
參考書籍: 1. 惠汝生, 「LabVIEW 8.X 圖控程式應用」 ,台北, 全華科技圖書股份有限公司。 2. 蕭子健、王智昱、儲昭偉,「虛擬儀控程式設計 LabVIEW 8X」,高立圖書有限公司。

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