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研究生: 許舒晴
SHU-CHING HSU
論文名稱: 智慧書法機器人
The Intelligent Calligraphy Robot
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-Jer Huang
口試委員: 周瑞仁
Jui-Jen Chou
藍振洋
Chen-yang Lan
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: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 109
中文關鍵詞: 使用者操作介面FSMC 位置控制書法軌跡規劃
外文關鍵詞: User Interface, FSMC, Calligraphy Trajectory planning
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  • 本研究整合 PC-Based 使用者操作介面與 FPGA 機械手臂控制器,方便使用
    者在使用者操作介面上以書寫中文字方式,引導機械手臂進行中文字之書法書
    寫。
    本研究以 PC-Based 為核心,設計具手寫板功能之使用者操作介面,使用
    OCR 技術進行手寫中文字辨識,並依據標準正規楷書圖片,參照書法經驗法則
    自創永字八法軌跡規劃,將手寫中文字轉換成適用於機械手臂書寫之書法筆畫
    及筆順,再透過非同步收發傳輸器(UART)將筆畫及筆順資訊傳送給機械手臂,
    進行中文字之楷書書寫。
    機械手臂則是以 ALTERA Nios II Embedded Development Kit(以下簡稱
    Nios II 開發板)為核心,控制五軸機械手臂之運動,在 Nios II 發展板中以數
    位硬體電路實現訊號輸入與輸出之功能,數位控制訊號由 Nios II 發展板送至
    自製直流馬達驅動電路以驅動馬達。數位電路中包括五組光學編碼器偵測、四
    倍頻寬解碼電路、極限開關訊號偵測、五組脈波寬度調變訊號輸出、RS232 通
    訊結構、SDRAM 控制模組等等。軟體部分則是在 Nios II 整合開發環境介面
    編寫系統之使用者操作介面,編寫正、反運動學、模糊滑動控制法則、軌跡規
    劃等應用。


    In this thesis, a five degrees of freedom industrial robot arm is integrated with
    PC-Based user interface as a calligraphy robotic system. It’s convenient for the user to
    guide the robotic arm to write Chinese character based on user interface input.
    A user interface is designed with handwriting function and OCR technology is
    employed to identify handwritten Chinese characters. Based on the standard regular
    script picture, and the calligraphy experience rule, the eight principles of Yong
    trajectory plan were proposed to, convert the handwritten Chinese character into
    calligraphy strokes coordinate and stroke order for robotic end effector motion
    trajectory. The strokes and stroke information are transmitted to the robotic arm
    controller through the non-synchronous transceiver (UART) for monitoring the robot
    arm to write the Chinese character.
    The Altera FPGA was chosen as the robotic arm control architecture. Its main
    function is to receive the position and posture data from PC and monitor the robotic
    arm motion. The Nios II development board uses digital hardware circuits to
    implement signal acquisition and output control function, including decoder, filter,
    PWM, I2C, and SDRAM controller etc. User interface, kinematics, inverse
    kinematics, FSMC and trajectory planning were written as software program in Nios
    II.

    摘要 I Abstract II 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 XI 第一章 緒論 12 1.1 前言 12 1.2 文獻回顧 12 1.3 研究動機與目的 14 1.4 論文架構 14 第二章 系統架構 15 2.1 硬體設備 17 2.1.1 Nios II發展板 19 2.1.2 馬達驅動電路 21 2.1.3 脈波寬度調變電路 24 2.1.4 機械手臂 25 2.1.5個人電腦 26 2.1.6 NIOS II微處理器之規劃 28 2.1.7 Intuos Art 觸控繪圖板 31 第三章 機械手臂運動系統 32 3.1連桿參數與座標(Link Parameters and Coordinate) 33 3.2機械手臂正運動學分析 35 3.2.1正運動學推導 37 3.3 機械手臂逆運動學 40 3.3.1逆運動學推導 40 第四章 使用者操作介面設計 42 4.1 使用者操作介面(UI) 42 4.2光學字符辨識技術OCR 45 4.2.1卷積類神經網路架構(CNN) 47 第五章 軌跡規劃方法 54 第六章 控制理論 63 6.1 模糊滑動模式控制 65 第七章 實驗結果與討論 70 7.1 實驗一: 五種常見筆畫之三維位置控制 70 7.2 實驗二: 楷書之軌跡規劃方法 92 7.3 實驗三: 結合使用者操作介面整合系統 98 第八章 結論與未來展望 103 8.1 結論 103 8.2 未來展望 103 參考文獻 105

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