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系統識別號 U0002-0808200512504900
中文論文名稱 全方位移動機器人之機構與驅動設計
英文論文名稱 Mechanism and Drive Design for an Omni-directional Mobile Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 黃勻良
研究生英文姓名 Yung-Liang Huang
學號 692342487
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-28
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-張文中
委員-劉昭華
中文關鍵字 足球機器人系統  全方位機器人  PID控制  機構設計 
英文關鍵字 Soccer Robot Systems  Omni-directional Mobile Robot  PID Control  Mechanism Design 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究依據RoboCup小型機器人足球比賽的規格,設計一套全方位移動機器人系統,包含了機器人機構設計、驅動電路設計、與機器人的運動控制器設計。首先,針對近幾年本實驗室所設計的機器人做機構上的改良設計,包含持球機構與射門機構,以及新車體的設計。其次,針對近幾年機器人驅動機構的趨勢,設計全方位移動機器人。並且推導全方位移動機器人的動態方程式,用以設計機器人運動控制器。最後,以8051設計機器人的驅動電路板。整合的系統在RoboCup規格的球場上進行機器人測試,結果顯示符合預期的設計功能。
英文摘要 In this thesis, an omni-directional soccer robot system is designed based on the regulation of RoboCup small-size league, which includes design of mechanism, driving circuit, and motion controller. First of all, the dribbling and kicking mechanisms of soccer robots designed in last few years in this laboratory are improved, and also remodeled the body. Secondly, it devises an omni-directional robot to follow the trend of driving mechanism of robotics. The dynamic equations of the omni-directional robot are also derived, and then a PID motion controller is designed based on these dynamic equations. Finally, it uses 8051 to sketch the driving circuit of the robot. The integrated system is tested on a RoboCup soccer field, and the results conform to the expected functions.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅸ
第1章 緒論 1
1.1研究動機與研究目的 1
1.2文獻探討 1
1.3研究範圍與論文架構 2
第2章 機器人機構設計 3
2.1機器人本體機構設計 3
2.2射門機構設計 5
2.3持球機構設計 7
2.4持球機構與射門機構的配裝與測試 11
2.5全方位移動機器人機構設計 12
第3章 全方位移動機器人的動態模式 18
3.1機器人運動學分析 18
3.2機器人靜力學分析 21
3.3機器人運動控制器設計 22
3.4機器人的動態模式 23
3.5機器人動態控制設計 26
第4章機 機器人驅動器設計 28
4.1機器人驅動電路板規劃 28
4.2 PWM訊號規劃 29
4.3光耦合隔離電路 33
4.4 7291驅動晶片 34
4.5 RF無線傳輸電路 36
4.6電源電路以及LED顯示電路 38
4.7硬體控制語言 40
4.8命令格式規劃 41
第5章 實測與結果分析 43
5.1直流馬達測試 43
5.2影像伺服控制的測試架構 49
5.3機器人開迴路控制測試 49
5.3.1機器人開迴路控制測試 49
5.3.2機器人沿y軸方向路徑直行 50
5.3.3機器人位置固定不動,角度順時針旋轉 50
5.3.4機器人繞圓形行走 50
5.3.5機器人開迴路控制結論探討 50
5.4機器人PID閉迴路測試 53
5.4.1機器人沿x軸方向路徑行走 54
5.4.2機器人沿y軸方向路徑行走 54
5.4.3機器人位置固定不動,角度從0度旋轉至120度 54
5.5測試結果討論 55
第6章 結論與建議 57
6.1研究結果討論 57
6.2未來研究方向 57
參考文獻 59
附錄A 全方位輪相關資料 61
附錄B 機體座標動態方程式推導 62
附錄C 場地座標動態方程式推導 65
附錄D 直流馬達相關資料 69
圖目錄
圖2.1 2003年版足球機器人 3
圖2.2 邊牆卡死 4
圖2.3角落卡死 4
圖2.4 2004年版足球機器人 4
圖2.5 2004年版足球機器人實體圖 5
圖2.6 2002年版射門機構示意圖 6
圖2.7 2003年版射門機構示意圖 6
圖2.8 2004年版射門機構示意圖 6
圖2.9 2004年版射門機構實際圖 7
圖2.10 2002年版持球機構式意圖 8
圖2.11 2003年版持球機構示意圖 8
圖2.12夾角過大時,球被過度吸附 9
圖2.13夾角過小時,球不易吸附 9
圖2.14夾角等於45度時,吸附效果最好 10
圖2.15 2004年版持球機構示意圖 10
圖2.16 2004年版持球機構實際圖 11
圖2.17 2004年版足球機器人 11
圖2.18 2003年版足球機器人(左)、2004年版足球機器人(右) 12
圖2.19 轉換輪(Transwheel)所組成的全方位輪 13
圖2.20全方位機器人底盤 14
圖2.21全方位機器人的機構圖 14
圖2.22全方位機器人實體圖 15
圖2.23全方位機器人正面圖 15
圖2.24全方位機器人背面圖 16
圖2.25全方位機器人內部圖 16
圖2.26全方位機器人底層圖 17
圖3.1全方位移動機器人基本架構座標圖 19
圖3.2全方位移動機器人輪子速度幾何關係 21
圖3.3全方位移動機器人自由體圖 22
圖3.4運動控制器 23
圖3.5輪子驅動系統的作用力圖 24
圖3.6 PID控制器 26
圖4.1全方位機器人的驅動電路架構 28
圖4.2責任週期示意圖 29
圖4.3不同PWM示意圖 29
圖4.4 PWM週期中斷程式 30
圖4.5三組PWM週期中斷程式 31
圖4.6 PC817單顆馬達時輸入端的PWM訊號 31
圖4.7 PC817單顆馬達時輸出端的PWM訊號 32
圖4.8三顆馬達時PC817輸入端的PWM訊號 32
圖4.9三顆馬達時PC817輸出端的PWM訊號 33
圖4.10光偶合器隔離電路 34
圖4.11 SHARP PC817內部示意圖 34
圖4.12 TA7291P內部構造圖與腳位規劃 35
圖4.13 TA7291P馬達驅動電路 36
圖4.14位準轉換晶片MAX232示意圖 37
圖4.15電路板端無線傳輸電路(接收端) 37
圖4.16電腦端無線傳輸電路(輸出端) 38
圖4.17 LED顯示電路 38
圖4.18電源電路 38
圖4.19電腦端電路板 39
圖4.20機器人電路板 40
圖4.21 89C51控制程式流程圖 41
圖4.22 89C51命令編碼格式 42
圖5.1馬達特性曲線圖 43
圖5.2週期755us時馬達特性曲線圖 44
圖5.3週期1550us時馬達特性曲線圖 45
圖5.4週期3100us時馬達特性曲線圖 45
圖5.5週期4650us時馬達特性曲線圖 46
圖5.6週期6200us時馬達特性曲線圖 46
圖5.7週期7550us時馬達特性曲線圖 47
圖5.8馬達1各種週期與圖4.1馬達1比較 47
圖5.9馬達2各種週期與圖4.1馬達2比較 48
圖5.10馬達3各種週期與圖4.1馬達3比較 48
圖5.11顏色標籤示意圖(0號車) 49
圖5.12機器人x軸平移位置座標圖 51
圖5.13機器人y軸直行位置座標圖 52
圖5.14機器人位置固定不動,角度順時針旋轉 52
圖5.15機器人繞圓形行走 53
圖5.16機器人PID控制器 53
圖5.17機器人x軸移動位置-時間座標圖 55
圖5.18機器人y軸移動位置-時間座標圖 56
圖5.19機器人位置固定不動,角度旋轉-時間座標圖 56
圖附錄D.1 2052-3/8X CAT-TRAK 61
表目錄
表4.1 腳位規劃 35
表4.2 TA7291P真值表 35
參考文獻 1. Airtrax http://www.airtrax.com/
2. J. Aranda, A. Grua and J. Climent, 1998, Control Architecture for a Three- wheeled Roller Robot, Proceedings International Workshop on Advanced Motion Control.
3. J.F. Blumrich, 1974, Omnidirectional Vehicle, United States Patent 3,789,974.
4. H.M. Bradbury, 1980, Omni-Directional Transport Device, United States Patent 4,223,753
5. J. Grabowiecki, 1919, Vehicle-Wheel, United States Patent 1,305,535
6. B.E. Ilon, 1975, Wheels for a Course Stable Selfpropelling Vehicle Movable in any Desired Direction on the Ground or Some Other Base, United States Patent 3,876,255
7. J.H. Kim, H.S. Shim, H.S. Kim, M.J. Jung, and P. Vadakkepat, 1997, Action selection and strategies in robot soccer systems, Proceedings of The 40th Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp.518-521.
8. Kornylak Corporation http://kornylak.com/
9. W.H.T. La, 1981, Microcomputer-controlled Omnidirectional Mechanism for Wheelchairs, Frontiers of Engineering in Health Care.
10. H.K. Lam, T.H. Lee, F.H.F. Leung, and P.K.S Tam, 2001, Decision maker for robot soccer, The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp.43-48.
11. T.-H.S. Li, I.F. Lin, and T.M. Hung, 2002, Behavior-based fuzzy logic control for a one-on-one robot soccer competition, IEEE International Conference on Fuzzy Systems, pp.470-475.
12. Y. Liu, X. Wu, J Jim Zhu, J. Lew, 2003, Omni-Directional Mobile Robot Controller Design by Trajectory Linearization, Proc. American Control Conference
13. P.F. Muir, and C.P. Neuman, 1987, Kinematic modeling of wheeled mobile robots, Journal of Robotic Systems 4, 281–340.
14. S.W. Park, J.H. Kim, E.H. Kim, and J.H. Oh, 1997, Development of a multi-agent system for robot soccer game, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.626-631.
15. Radiometrix. http://www.radiometrix.co.uk/
16. RoboCup, 2005, Robot World Cup Initiative. http://www.robocup.org/
17. L. Sciavicco, and B. Siciliano, 1996, Modeling and control of robot manipulators, McGraw-Hill.
18. Sharp pc817 datasheet http://vserver.13thfloor.at/Remote-Reset/pc817.pdf/
19. Y. Song, D. Tan, Y. Tian, 2002, Experiment Identification of the Dynamics Parameters of an Omnidirectional Wheel Mobile Robot, Proceedings of the 4th World Congress on Inteligent Control and Automation.
20. G. Strang, 1980, Linear Algebra and Its Applications, Academic Press.
21. Toshiba TA7291P datasheet http://www.semicon.toshiba.co.jp/docget.jsp?pid =TA7291S〈=jp&doctype=datasheet/
22. K. Watanabe, 1998, Control of Ominidirectional Mobile Robot, 1998 2nd Int. Conf. on Knowledge -Based Intellegent Electronic Systems, Adelaide, Australia
23. K. Watanabe, K. Izumi, J. Tang, and F. Han, 1997, Trajectory Control of an Omnidirectional Mobile Robot Using a Fuzzy Servo System, Proc. Of the 2nd Int. Workshop on Advanced Mechatronics (IWAN’97), Unzenn, Japan, pp.74-79
24. K. Watanabe, Y. Shiraishi, S. G. Tzafestas, J. Tang, and T. Fukuda, 1998, Feedback Control of an Omnidirectional Autonomous Platform for Mobile Service Robots, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 22(3), pp. 315-330
25. Q. Zhang, Y.M. Yang, and Y. Li, 2002, A multi-agent cooperative system of soccer robot, Proceedings of the 4th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp.510-514.
26. 2004台灣機器人足球大賽官方網頁http://ic2s.ee.ncku.edu.tw/ 2004RobotSoccerCup.htm/
27. 田世豪,2000,機器足球員之模糊競賽策略,雲林科技大學電機工程學系碩士論文。
28. 李加恩,1983,自走式機器人運動控制,交通大學控制工程研究所碩士論文。
29. 林義峰,2001,一對一機器人足球賽之設計與實現,成功大學電機工程學系碩士論文。
30. 林柏辰,王威文,李雅鈴,翁慶昌,2003,多功能機器足球員之設計與實現,自動控制研討會,pp.25-30。
31. 周明豐,2001,DSP主控之機器足球員設計,淡江大學電機工程學系碩士論文。
32. 侯惠傑,2001,機器人之避障路徑規劃與FPGA實現,淡江大學電機工程系碩士論文。
33. 陳柏堯,1999,機器人足球員之硬體製作、路徑規劃與競爭策略,雲林科技大學電機工程系博士論文。
34. 陳堉淮,2001,Robot Soccer之視覺伺服系統設計,雲林科技大學電機工程學系碩士論文。
35. 遊寶達、黃國勝,2001,全國足球機器員競賽—一對一足球機器員競賽構想書,中正大學3C產業應用教學資源中心。
36. 蔡政興,2003,全方位移動系統之設計與實現,淡江大學電機工程系碩士論文。
37. 鄒宗穎,2004,小型足球機器人系統影像處理、運動命令產生、與機構設計之研究。
38. 劉人誠,2000,Implementation of fuzzy shooting control for car-type soccer robot,成功大學電機工程學系碩士論文。
39. 劉秋豪,2003,五對五機器人足球系統的策略設計與群對控制,淡江大學機械工程學系碩士論文。
40. 賴昶安,2001,設計實現模糊場控制器於一對一機器足球員比賽,成功大學電機工程學系碩士論文。
41. 簡盛松,2000,Implementation of fuzzy trajectory following and planning control for CLMR via image process,成功大學電機工程學系碩士論文。
42. 鍾韻華,2002,Application of Visual Servo Control on One-on-one Soccer Robot Systems,淡江大學機械工程學系碩士論文。
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