本論文主要是設計與實現一個多功能且具有高效能的視覺自主人形
機器人系統。本論文先以繪圖軟體SoildWorks 設計機器人的機構，再以Nios II 發展板架構機器人的運動控制核心，並以BCB 架構一個可以用於設計與規劃機器人動作的人機介面，最後以凌陽科技的u’nsp 十六位元處理器搭配CMOS 感測器架構機器人的自主視覺與策略系統，另外也應用感測器加強機器人對外在環境的適應能力。此人形機器人的架構可分成下列五項：(1)機構部分：機器人的關節由26 顆伺服馬達所構成，並依據各關節施力大小的不同選用不同扭力的伺服馬達，使機器人結構足以實現基本步行與自主射門等動作。(2)運動控制核心部分：機器人以Nios II 發展板做為運動控制核心，經過解碼與分析將機器人的動作資訊儲存至Flash中，待執行動作時才予以讀出以致能伺服馬達動作。(3)人機介面部分：人機介面透過RS232 串列傳輸將所設計完成的動作資料傳送至機器人端，此做法除了能提升動作調整的效率，更可事先透過3D 的動作模擬與馬達角度範圍的鎖定來減少因錯誤動作而導致伺服馬達損傷。(4)影像與策略部分：機器人利用CMOS 感測器擷取影像資訊，以顏色來辨識所要追蹤之物體，並將顏色資訊交由策略端做判斷。在自主射門的策略中，以有限狀態機制為基本架構，分成找球、追球與射門三大狀態，再依據限制條件做策略上的選擇。(5)感測器應用部分：透過陀螺儀、紅外線感測器與電子指南針的應用，讓機器人能克服不平坦的地形並進行障礙物閃避，同時也可以在偏離行進方向時適時做出修正的動作。從基本步行、避障與自主射門等實驗結果的呈現可以證明本論文所設計實現的視覺自主人形機器人的確符合多功能與高效能的要求。

In this thesis, a design method of a vision-based autonomous humanoid robot system with multiple functions and high efficiency is proposed. The drawing software, SoildWorks, is applied to design the mechanism of robot. A Nios II developmental board is used to be the motion controller of robot. BCB is applied to establish a human-machine interface for designing and planning actions of robot. A 16-bit processor, μ’nsp, made by Sunplus is used to process the image captured by a CMOS sensor to find some objects and make decision. The structure of robot can be described by five items:
(1) Mechanism: Twenty-six joints are design for the humanoid robot so that it can walk and shoot the ball. Each joint is implemented by a server motor and three types of server motors with different torques are used for this robot according to the desired force of joint.
(2) Motion control center: A Nios II developmental board is used as a motion control center. Some motion controlled data are constructed by a trial-and-error method and stored in the flash memory. The stored data will be accessed to enable each server motor so that the robot can do the desired motion.
(3) Human-machine interface: A human-machine interface, which can transmit action data to the robot by a RS-232 serial transmission, is constructed so that the action can be efficiently adjusted by a 3D action simulation. Moreover, the broken probability of server motor can be
reduced by locking the rotational range of sever motor.
(4) Vision and tactic: The vision data is captured by a CMOS sensor and one assigned color is applied to recognize the object. A finite-state transition mechanism with three states: (a) find the ball, (b) track the ball, and (c) shoot the ball, is constructed in the tactic so that the
implemented robot can autonomous shoot. The tactic determines which state is used according to some given condition.
(5) Sensor application: The gyroscope, infrared sensor, and electronic compass are respectively used to let the robot can walk on an uneven terrain, avoid obstacles, and adjust the walk direction by itself.

Some experimental results of basic walk, obstacle avoidance, and autonomous shoot are presented to illustrate that the implemented vision-base autonomous humanoid robot meets the requirements of multiple function and high efficiency.

第一章 緒論 ………………………………………………………… 1
1.1 前言……………………………………………………………… 1
1.2 實驗室人形機器人回顧………………………………………… 2
1.3 視覺自主人形機器人系統簡介………………………………… 4
1.4 論文架構………………………………………………………… 5
第二章 人形機器人之硬體機構設計 ……………………………… 7
2.1 人形機器人設計原理…………………………………………… 7
2.1.1 腳部機構設計………………………………………………… 8
2.1.2 身體機構設計………………………………………………… 10
2.1.3 手部機構設計………………………………………………… 12
2.1.4 頭部機構設計………………………………………………… 13
2.2 第三代人形機器人改進要點…………………………………… 13
第三章 人形機器人之Nios II 控制核心設計 …………………… 24
3.1 Nios II 介面介紹……………………………………………… 25
3.2 Nios II 與μ’nsp 平行處理系統……………………………… 28
3.3 Nios II 與人機介面之傳輸協定……………………………… 31
3.4 動作資料處理…………………………………………………… 33
3.4.1 資料分析模組………………………………………………… 33
3.4.2 Flash 存取模組……………………………………………… 35
3.4.3 動作執行模組………………………………………………… 36
3.4.4 馬達控制器…………………………………………………… 40
第四章 人形機器人之人機介面設計 ……………………………… 42
4.1 人機介面設計概念與架構……………………………………… 42
4.1.1 編輯功能……………………………………………………… 42
4.1.2 模擬功能……………………………………………………… 44
4.1.3 資料傳輸功能………………………………………………… 44
4.2 人機介面設計原理與製作方法………………………………… 45
4.2.1 編輯介面……………………………………………………… 46
4.2.2 模擬介面……………………………………………………… 49
4.2.3 傳輸介面……………………………………………………… 52
4.3 人機介面之使用方法…………………………………………… 54
第五章 人形機器人之影像與策略設計 …………………………… 59
5.1 視覺辨識功能…………………………………………………… 59
5.1.1 CMOS 感測器影像畫面 ……………………………………… 59
5.1.2 CMOS 感測器顏色設定 ……………………………………… 61
5.2 μ’nsp 與NiosII 的傳輸架構設計 …………………………… 62
5.3 狀態選擇之開關設計…………………………………………… 66
5.4 有限狀態機策略架構…………………………………………… 69
5.5 自主射門實際競賽成果………………………………………… 72
第六章 人形機器人之感測器應用設計 …………………………… 77
6.1 陀螺儀…………………………………………………………… 77
6.2 紅外線感測器於避障功能上之設計與應用…………………… 80
6.2.1 紅外線感測器應用原理……………………………………… 80
6.2.2 避障功能之設計……………………………………………… 83
6.3 電子指南針……………………………………………………… 86
第七章 結論 ………………………………………………………… 89
參考文獻……………………………………………………………… 90

圖目錄
圖1.1 系統架構圖………………………………………………………… 4
圖2.1 人形機器人實體圖………………………………………………… 7
圖2.2 人形機器人3D 結構圖 …………………………………………… 7
圖2.3 人形機器人腳部機構實體圖……………………………………… 9
圖2.4 大腿與小腿長度影響重心之比較圖……………………………… 10
圖2.5 人形機器人身體正面之實體圖…………………………………… 11
圖2.6 人形機器人身體背面之實體圖…………………………………… 11
圖2.7 人形機器人身體內部與腰部馬達配置之實體圖………………… 12
圖2.8 人形機器人手部(左手)之實體圖 ………………………………… 12
圖2.9 人形機器人頭部之實體圖………………………………………… 13
圖2.10 第二代與第三代人形機器人之整體比較圖……………………… 14
圖2.11 第二代與第三代人形機器人之髖關節干涉改進前後比較圖…… 15
圖2.12 第二代與第三代人形機器人之膝關節改進前後比較圖………… 16
圖2.13 第二代與第三代人形機器人之腳部旋轉維度改進前後比較圖… 17
圖2.14 第二代與第三代人形機器人之固定異常自由度改進前後比較圖 17
圖2.15 第三代人形機器人之包覆型骨架………………………………… 18
圖2.16 第二代與第三代人形機器人腰部前後維度上移改進前後比較圖 19
圖2.17 第二代與第三代人形機器人之肩關節干涉改進前後比較圖…… 19
圖2.18 第二代與第三代人形機器人之前蓋改進前後比較圖…………… 20
圖2.19 第二代與第三代人形機器人之頭部固定位置改進前後比較圖… 21
圖2.20 第二代與第三代人形機器人之腳底板改進前後比較圖………… 22
圖3.1 Nios II 發展板……………………………………………………… 25
圖目錄
VII
圖3.2 SoPC Builder 操作介面 …………………………………………… 26
圖3.3 在Quartus II 上建立的硬體電路架構…………………………… 27
圖3.4 在Nios II IDE 的軟體編輯介面…………………………………… 28
圖3.5 μ’nsp 與Nios II 的傳輸架構 ……………………………………… 29
圖3.6 Nios II 傳輸流程圖………………………………………………… 30
圖3.7 Nios 與RS232 之傳輸 …………………………………………… 31
圖3.8 Nios II 腳位的防護措施…………………………………………… 32
圖3.9 Nios II 發展板與轉接電路板……………………………………… 32
圖3.10 資料分析之架構…………………………………………………… 34
圖3.11 動作執行模組連結示意圖………………………………………… 37
圖3.12 動作執行模組讀取Flash 資料的過程示意圖 …………………… 38
圖3.13 馬達控制器連結示意圖…………………………………………… 40
圖4.1 編輯介面-單筆動作編輯…………………………………………… 43
圖4.2 編輯介面-圖形化編輯……………………………………………… 43
圖4.3 模擬介面…………………………………………………………… 44
圖4.4 傳送介面…………………………………………………………… 45
圖4.5 編輯介面…………………………………………………………… 46
圖4.6 圖形化編輯介面…………………………………………………… 48
圖4.7 樹狀圖編輯介面…………………………………………………… 49
圖4.8 模擬介面…………………………………………………………… 50
圖4.9 機械結構圖與動態模擬比較圖…………………………………… 51
圖4.10 傳送介面…………………………………………………………… 53
圖4.11 人機介面首頁之主畫面…………………………………………… 54
圖4.12 編輯介面…………………………………………………………… 55
圖目錄
VIII
圖4.13 圖形化編輯介面…………………………………………………… 56
圖4.14 模擬介面…………………………………………………………… 57
圖4.15 傳送介面…………………………………………………………… 58
圖5.1 機器人CMOS 感測器可視距離示意圖…………………………… 60
圖5.2 影像畫面處理前後比較圖………………………………………… 60
圖5.3 影像顏色資訊分部位置示意圖…………………………………… 62
圖5.4 μ’nsp 與NiosII 傳輸流程圖 ……………………………………… 66
圖5.5 「FIRA」PK 競賽項目場地示意圖………………………………… 69
圖5.6 有限狀態機制策略架構圖………………………………………… 70
圖5.7 機器人的CMOS 感測器搜尋場地上的粉紅色的球……………… 71
圖5.8 搜尋到球後下達移動指令接近球………………………………… 71
圖5.9 到達球的前方後執行踢球指令…………………………………… 71
圖5.10 基本策略流程圖…………………………………………………… 72
圖5.11 自主射門實際競賽過程圖………………………………………… 73
圖5.12 平移防守實際競賽過程圖………………………………………… 75
圖6.1 PG-03 轉向圖示…………………………………………………… 77
圖6.2 PG-03 接線圖……………………………………………………… 78
圖6.3 PG-03 放置位置與所控制的馬達………………………………… 78
圖6.4 自主平衡示意圖…………………………………………………… 79
圖6.5 紅外線距離感測器之外觀………………………………………… 80
圖6.6 Nios II 之UART 產生介面………………………………………… 81
圖6.7 紅外線距測示意圖………………………………………………… 82
圖6.8 紅外線距離感測器之量測圖……………………………………… 82
圖6.9 紅外線感測器之位置示意圖……………………………………… 83
圖目錄
IX
圖6.10 前方有多個障礙物-往側面平移…………………………………… 84
圖6.11 多個障礙物-往側面平移……………………………………………85
圖6.12 多個障礙物-直行…………………………………………………… 85
圖6.13 機器人行動說明圖-轉向動作……………………………………… 85
圖6.14 電子指南針TDCM3 之外觀實體圖與腳位位置示意圖………… 86
圖6.15 電子指南針TDCM3 之接腳圖…………………………………… 86
圖6.16 校正模組之時序圖………………………………………………… 87
圖6.17 一般模組之時序圖………………………………………………… 87
圖6.18 連續傳送模組之時序圖…………………………………………… 88
表目錄
X
表目錄
表1.1 實驗室自行設計實現之四款人形機器人 ………………………… 3
表2.1 機器人之規格 ……………………………………………………… 8
表2.2 單腳自由度與特性對照表 ………………………………………… 9
表2.3 手部自由度與特性表 ……………………………………………… 13
表2.4 第二代與第三代人形機器人之腳部伺服馬達規格比較表 ……… 22
表2.5 第二代與第三代人形機器人之腰部伺服馬達規格比較表 ……… 23
表2.6 第二代與第三代人形機器人之手部伺服馬達規格比較表 ……… 23
表3.1 資料封包之格式 …………………………………………………… 34
表3.2 指令封包 …………………………………………………………… 35
表3.3 指令封包之命令 …………………………………………………… 35
表3.4 動作執行的封包型式 ……………………………………………… 38
表3.5 動作執行封包之名詞解釋 ………………………………………… 40
表3.6 馬達固定角度資料封包格式(range 0~127)………………………… 41
表3.7 馬達加減角度資料封包格式(range -63~+63)……………………… 41
表5.1 顏色代碼表 ………………………………………………………… 61
表5.2 八位元傳輸線定義 ………………………………………………… 63
表5.3 頭部動作命令表 …………………………………………………… 64
表5.4 身體動作命令表 …………………………………………………… 64
表5.5 指撥開關狀態定義表 ……………………………………………… 67
表6.1 紅外線距離感測器之腳位表 ……………………………………… 81
表6.2 紅外線距離感測器之規格表 ……………………………………… 81
表6.3 紅外線避障狀態表 ………………………………………………… 84

[1] C.C. Wong, C.T. Cheng, K.H. Huang, H.C. Wu, C.L. Hsu, Y.T. Yang, S.C. Wan, L.C. Chen, and Y.Y. Hu, “Humanoid soccer robot design for FIRA cup,” FIRA Robot World Congress 2004 (Busan, Korea, Oct. 26-29), 2004.
[2] C.C. Wong, C.T. Cheng, H.Y. Wang, S.A. Li, K.H. Huang, S.C. Wan, Y.T. Yang, C.L. Hsu, Y.T. Wang, S.D. Jhou, H.M. Chan, J.C. Huang, Y.Y. Hu, “Description of TKU-PaPaGo team for humanoid league of RoboCup 2005,” RoboCup International Symposium 2005 (Osaka, Japan, July 18-19),
2005.
[3] C.C. Wong, C.T. Cheng, K.H. Huang, and Y.T. Yang, “Description of TKU team for humanoid league of RoboCup 2006,” RoboCup International Symposium 2006 (Bremen, Germany, June 19-20), 2006.
[4] C.C. Wong, C.T. Cheng, K.H. Huang, Y.T. Yang, and H.Y. Wang, “Humanoid soccer robot design for FIRA cup 2006,” FIRA Robot World Congress 2006 (Dortmund, Germany, Jun. 29-Jul.1), 2006.
[5]  Homepage of ASIMO: http://world.honda.com/HDTV/ASIMO/
[6]  Homepage of ALTERA: http://www.altera.com/
[7]  Homepage of FIRA: http://www.fira.net/
[8]  Homepage of GWS: http://www.gws.com.tw/
[9]  Homepage of HVW: http://www.hvwtech.com/
[10] Homepage of KONDO: http://www.kondo-robot.com/
[11] Homepage of ROBO-ONE: http://www.robo-one.com/
[12] Homepage of RoboCup: http://www.robocup.org/
[13] Homepage of ROBOSAPIEN: http://www.robosapienonline.com/
[14] Homepage of TOPTEAM: http://www.topteamnavigation.com.tw/
[15] 伍寒楨、許嘉玲、楊玉婷、萬先強、陳立哲，視覺自主人型機器足球員，淡江大學電機系智慧型控制實驗室專題實驗報告，2004。
[16] 蔡依伶、黃俊捷、詹翔閔、胡越陽，人形機器人之設計與實現，淡江大學電機系智慧型控制實驗室專題實驗報告，2005。
[17] 陳慶逸、林柏辰，VHDL 數位電路實習與專題設計，文魁資訊，2003。
[18] 柯南，Protel99SE PCB 電腦輔助電路圖設計，台科大圖書股份有限公司，2001。
[19] 立雅科技，SolidWorks 2004 實戰演練─基礎篇，知城數位，2003。