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研究生： 李清
Ching - Lee
論文名稱： 智慧型災害處理機器人設計與製作
Design and implement an intelligent hazard removal robot system
指導教授： 曾德峰
Der-Feng Tseng
口試委員: 張立中
Li-Chung Chang
曾恕銘
Shu-Ming Tseng
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 100
中文關鍵詞： 機器人 、陀螺儀 、加速計 、電子羅盤 、紅外線 、超音波 、雷射 、影像 、熱像 、嵌入式 、手臂 、夾具 、載台 、履帶
外文關鍵詞： Gyro, Ultra Sonic, Thermo Camera
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    • 本論文之研究目標是建立智慧型災害處理機器人在未知環境的導航監測控制系統，使機器人具有3-D的距離感測能力、周圍環境輪廓建立能力、透過遠端監測與控制遙控此機器人手臂處理移除目標物。
    智慧型災害處理機器人系統主要分為，控制電腦、雷射測距儀、多軸手臂運動控制系統、載台馬達系統、影像系統、環境感測系統、無線遙控系統、監測系統、電力系統。透過雷射測距儀及超音波、紅外線、姿態感應器的偵測，可以得知機器人前方180度扇形區域內及四周360度的環境輪廓、距離、載台姿態，攝影機及熱像儀擷取影像訊號、熱感測影像信號，電腦再根據這些搜集到的角度、距離資料、影像訊號、熱感測信號、感應器信號，經由無線網路傳輸至遙控器操控此機器人行動方向及手臂處理，使機器手臂可以朝指定目標運動，並且在介面圖畫顯示環境的輪廓、影像資料、感測器資料。

    The research goal is to design and build an intelligent hazard removal robot system. The system will automatically detect objects in its environment and assess the distance of those objects. Wireless image pictures and sensors information will enable to remotely control the robotic arms to remove hazardous objects.

    The systems include a host control computer, laser range finder, multi-arms motion controller, vehicle motion controller, image capturing system, sensors, wireless remote / monitor controller, and power supply system. The wireless LAN and Laser range finder, Ultra-sonic, IR, IMU sensor, color cameras, thermo camera and GUI work together to display 180 degrees sector in front of the robot and 360 degree contours of the environment, indicating distance, According to those signals, The controller may remotely move the robot vehicle, arm and gripper toward the hazardous object and remove it.

    中文摘要 英文摘要 誌 謝 目 錄 圖 索 引 表 索 引 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 研究目的與動機 1.3 論文架構 第二章 智慧型災害處理機器人之基本運動控制與架構 2.1 系統架構 2.2 模組功能技術 2.3 區域自走能力載具模組規格 2.4 載台: 區域自走能力載具模組 2.5 智慧型整合控制器 2.6 手臂: 危害排除功能致動臂模組 2.7 機器人雙軸機構視覺模組 2.8 遙控模組: 可攜式機器人無線人機操控模組 2.9 電源系統 2.10 機器人模組操控系統軟體 2.10.1 系統軟體 2.10.2 人機介面操控程式系統軟體 2.10.3 人機介面操控程式系統軟體的功能 2.11 載具模組智慧整合控制系統軟體 2.12 感測器訊號以及影像視覺訊號處理軟體 2.13 規劃製作方法 第三章 區域自走能力載具模組軟硬體架構，周邊感測元件建立 3.1 智慧型整合控制器 3.2 載具傳動機構規劃及扭力功率估算 3.3 減振機構初步規劃 3.4 電腦控制單元 3.4.1 嵌入式電腦: Poseidon SBCⅠ 3.5 無線區域網路802.11n 3.6 運動控制單元 3.6.1 智慧型運動控制軟體規劃 3.7 感測器單元 3.7.1 雷射測距儀尺寸 3.8 紅外線感應器 3.9 超音波感測器 3.10 感測器接收控制單元(8051 CPU板) 3.11 麥克風及耳機 3.12 手持式控制器(含電腦) 3.13 觸摸螢幕 (12”LCD ) 3.14 遙控顯示單元 3.15 電源系統 3.15.1 電池的選用 3.15.2 機械手臂動力用電池 3.15.3 電腦用電池 3.15.4 緊急市電電源供應器使用機制 3.16 相關配件尺寸及安裝位置 3.17 加速度計 3.18 電子羅盤 3.19 GPS 3.20 數位輸出入接點(DIO) 3.20.1 DIO卡規格 3.20.2 DIO卡 輸入與輸出對應關係 3.20.3 TM1：TTL 輸出(From Host) 3.20.4 TM3：24VDC開集極輸出(Open Collector ) 3.20.5 DO使用範例 3.20.6 24VDC 輸入，TTL 輸出(至電腦) 3.20.7 類比開關輸入 第四章 危害排除功能致動臂模組軟硬體架構 4.1 機器手臂: 危害排除功能致動臂模組 4.2 機器手臂架構規劃 4.3 各軸馬達選用、傳動機構規劃及精度扭力功率估算 4.3.1 各軸傳動之機構 4.3.2 各軸所需扭力 4.4 致動臂多馬達同動 (模式1 ) 4.5 致動臂各軸馬達單動 (模式2) 第五章 機器人雙軸機構視覺模組軟硬體架構 5.1 影像單元 熱像儀 5.2 Giga Bit Ethernet 攝影機 (640x480@30FPS) 5.3 高速迴轉台 5.4 載台端控制面板 5.5 24VDC / 48VDC 電池電路 第六章 可攜式機器人無線人機操控模組軟硬體架構 6.1 人機介面 遙控 控制 手提箱 6.2 手提箱 尺寸 6.3 主電腦(同載台電腦) 6.4 搖桿控制器 6.5 通訊單元 6.5.1 Ethernet無線網路傳輸接收 6.5.2 2.4GHz RF-Link 無線RS-232C傳輸接收 6.6 可攜式無線人機操控模組 電源單元 6.6.1 電腦用電池 6.6.2 緊急市電電源供應器使用機制 第七章 機器人模組操控系統軟體設計 7.1 系統軟體架構 7.2 載台手臂控制 通訊 格式 7.3 通訊代號(依ID編號)分類 第八章 系統整體運作與控制 8.1 載台電腦 啟動程序 8.2 遙控端電腦 啟動程序 8.3 遠端遙控器控制 第九章 結論與未來展望 9.1 結論 9.2 未來展望 附 錄 參考資料 作者簡介 授 權 書 圖 索 引 圖1.1 特殊偵蒐觀察武器系統 寶劍機器戰士 圖1.2 守護者（Guardium）的無人車 圖1.3 SUGV Early 機器人 圖1.4 先導型多功能載台 圖2.1 系統架構規劃 圖2.2 模組功能技術示意圖 圖2.3 致動臂機構各軸說明 圖3.1 區域導航自走能力載具模組方塊圖 圖3.2 系統元件連接圖 圖3.3 載台模組設備3D的電腦示意圖 圖3.4 載台模組設備 CAD頂視圖 圖3.5 載台模組設備CAD 側視圖 圖3.6 EPIC 嵌入式電腦主機板 圖3.7 Flash Disk 圖3.8 各式感應器安裝位置 圖3.9 雷射測距儀 圖3.10 雷射測距儀尺寸 圖3.11 雷射測距儀 安裝位置 (載台正前方) 圖3.12 雷射測距儀 安裝位置 (載台正前方) 圖3.13 雷射測距儀 量測角度(±120度，距離: 5.6公尺) 圖3.14 雷射測距儀 掃瞄量測角度 圖3.14a 雷射測距儀 掃瞄圖 圖3.15 紅外線感應器(IR)尺寸圖 圖3.16 電壓信號強度與距離關係 圖3.17 超音波感測器 元件 圖3.18 超音波感測器 元件尺寸 圖3.19 超音波模組 外殼尺寸 圖3.20 超音波模組 外觀 圖3.21 超音波發射接收角度 圖3.22 超音波感測器 收發反應圖 圖3.23 超音波感測器 安裝位置. 圖3.24 超音波感測器 安裝位置 圖3.25 感測器接收控制模組 圖3.26 機器人距離感測接收控制模組 零件佈置圖 圖3.27 超音波距離量測曲線圖 圖3.28 紅外線距離量測曲線圖 圖3.29 感應器電腦模組 程式流程圖 圖3.30 Timer 0 程式流程圖 圖3.31 Timer 1 程式流程圖 圖3.32 Timer 2 程式流程圖 圖3.33 麥克風插孔配線及耳機 圖3.34 手持式控制器 圖3.35 觸摸螢幕 (12” LCD ) 圖3.36 18650磷酸鐵鋰 電池 圖3.37 18650 Cylindrical Cell Cycle Life PAT. C-LiFePO4 (充放電次數) 圖3.38 Discharge Capacity (Ah) Max. Discharge 1.5C ( 25℃ ) (放電容量) 圖3.39 標準包裝之磷酸鐵鋰 電池 圖3.40 24V充電器 圖3.41 磷酸鐵鋰電池組(右側) 圖3.42 磷酸鐵鋰電池組(左側) 圖3.43 磷酸鐵鋰電池組擺設 圖3.4 4 電池組充電插孔 圖3.47 傾斜量測模組實體圖 圖3.48a 電子羅盤TDCM3外觀上視圖 圖3.48b 電子羅盤TDCM3外觀側視圖 圖3.49 DCM3模組 圖3.50 電子羅盤 UART 格式 ( 一般模式讀取 ) 圖3.51 電子羅盤 UART 格式 ( 連續模式讀取 ) 圖3.52 衛星定位模組 (GPS) 圖3.53 GPS NEMA 信號接收格式 圖3.54 DIO卡 圖3.55 DIO卡架構圖 圖3.56 輸入與輸出對應關係 圖3.57 TM1，TM3 數位輸出接腳圖 圖3.58 DO使用範例: 圖3.59 類比開關輸入 圖3.60 TM2，TM4 類比開關輸入接腳圖 圖3.61 類比開關輸入 使用範例 圖4.1 機器手臂架構介紹 圖4.2 致動臂機構各軸說明 圖4.3 各軸運動關係圖 圖4.4 各軸運動角度範圍示意圖 圖4.5 各軸馬達選用 圖4.6 夾具 圖4.7 手臂 圖5.1 熱像儀 參考圖 圖5.2 熱像儀安裝位置 圖5.3 Giga-B Ethernet 攝影機 圖5.4 攝影機尺寸 圖5.5 Ethernet 攝影機 影像頻譜圖 圖5.6 Ethernet Camera接腳圖 圖5.7 高速迴轉台上熱像儀及攝影機 圖5.8 高速迴轉台尺寸 圖5.9 載台端控制面板 圖5.10 雙軸機構視覺模組整體安裝架構 圖6.1 遙控手提箱 GUI 畫面 圖6.2 遙控手提箱 遙控器架構 圖6.3 展開之手提箱 圖6.4 閉合手提箱 圖6.5 畫面顯示 圖6.6 搖桿控制器 圖7.1 可攜式機器人無線 人機介面操控程式 系統軟體 流程圖 圖7.2 載具模組智慧整合控制系統軟體 流程圖 圖7.3 載具模組智慧整合控制系統軟體 流程圖 圖8.1 展示 圖A1 無線寬頻分享器 圖A2 機器人之主要關鍵零組件 表 索 引 表2.1 關節定位精度 表3.1 802.11無線區域網路標準 表3.2 802.11n的MCS data速率 表3.3 各種電池之比較表 表3.4 ADXL330規格 表3.5 TDCM3規格 表4.1 各軸角度範圍值 表6.1 2.4GHz RF-Link無線RS-232C模組 規格表 表7.1 載台手臂控制 通訊 格式 表A1 IP防塵防水等級

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    無法下載圖示 全文公開日期 2014/06/02 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)
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