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研究生: 鄭凱元
Kai-Yuan Cheng
論文名稱: 基於視覺伺服之機器手臂三度空間射擊系統
Visual Servoing Based Robot Arm 3D Shooting System
指導教授: 林其禹
Chi-yu Lin
林紀穎
Chi-ying Lin
口試委員: 郭進星
Chin-hsing Kuo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 視覺伺服機器手臂射擊系統
外文關鍵詞: Visual Servoing, Robot Arm, Shooting System
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  • 本研究主要目的為設計使用工業型機械手臂的自動射擊系統並且以射擊裝置對立體空間中氣球進行追蹤與射擊的動作。本論文使用基於位置視覺伺服控制(Position-based visual servoing)作為射擊系統的基本理論;藉由固定在空間中之視覺裝置感測目標物,利用Camshift追蹤過濾目標與立體視覺計算目標座標;經過卡爾曼濾波器作狀態預估,並加入對目標物之速度評估與系統時間補償,可以得到應給予手臂座標。最後再經正向運動學、賈氏矩陣與虛擬機械臂計算得到機械手臂之角度控制命令,使得機械手臂得以瞄準、射擊目標。經過實驗證實,自動射擊系統能夠成功導引機械手臂對目標物完成追蹤與射擊動作。


    The objective of this research is to design an autonomous shooting system by using an industrial robot arm with a shooting device. It can track and shoot a balloon in the 3D space. The shooting system is based on the position-based visual servoing technique. A target and its coordinate in the space can be detected by a stereo vision system which is fixed beside the robot arm. The camshift algorithm is used to track and filter the target and stereo vision to calculate the position in the space. The Kalman filter is used to predict the position of the target, estimate the target velocity and the compensating time, and define the position which the robot arm should move to. Finally, with forward kinematic, Jacobian matrix and virtual arm calculation, we get the angular command of the robot arm, capable of tracking and shooting target, can be obtained. In experiments, the results show the shooting system can guide the robot arm to track and shoot the target successfully.

    目錄 摘要 1 Abstract 2 致謝 3 圖表目錄 6 第1章 緒論 8 1-1 研究動機與目的 8 1-2 文獻回顧 8 1-3 章節介紹 9 第2章 視覺伺服系統簡介 10 第3章 運動學模型建立 13 3-1 機械手臂各軸間轉換關係 13 3-2 機械手臂運動學 15 3-2-1 正向運動學 15 3-2-2 虛擬機械手臂 19 3-2-3 微分運動學 21 3-3 模擬影像輸入訊號之收斂狀況 23 第4章 影像資訊解析 26 4-1 Camshift 演算法 26 4-1-1 色彩機率直方圖與目標樣本資料 27 4-1-2 目標物中心計算 29 4-1-3 判斷目標物是否存在 30 4-2 環境對影像解析影響之問題 31 4-2-1 辨色解析度 31 4-2-2 環境光源亮度 33 4-2-3 目標色彩飽和度 33 4-3 立體視覺 34 4-3-1 雙畫面差異量 34 4-3-2 目標深度資訊計算 35 4-3-3 相機外部參數與校正 37 第5章 追蹤控制架構 39 5-1 狀態預估器 39 5-1-1 卡爾曼濾波器使用之機率統計觀念 40 5-1-2 卡爾曼濾波器 41 5-2 多執行緒、補償時間與速度評估 44 5-2-1 雙執行緒並列 44 5-2-2 補償時間 46 5-2-3 目標速度評估 47 第6章 實驗與結果討論 49 6-1 實驗設備介紹 49 6-2 實驗結果 52 第7章 結論與未來展望 57 7-1 結論 57 7-2 未來展望 58 參考文獻 61 附錄一 數學推導 64 機械手臂賈氏矩陣推導 64 卡爾曼增益推導 65 附錄二 Denso VS-6556G詳細規格 66 附錄三 手臂控制器I/O配置 68 附錄四 立體視覺裝置規格 69 作者簡介 71

    參考文獻
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