本論文發展視覺輔助移動工件偵測與追蹤系統，應用在DELTA機器人於工作平檯上的工件夾持任務。本論文發展了三個系統包含DELTA機器人、視覺輔助量測、與移動工件狀態估測等。在機器人系統架構部分，設計機器人機構、調整與設定馬達驅動器、與規劃機器人控制器等；在視覺輔助量測系統部分，進行影像處理、攝影機校準、視覺量測模型建立、與立體工件方位量測等；在移動工件狀態估測方面，規劃平面投影轉換與卡爾曼過濾器兩種工件狀態估測器。發展完成的三個系統，整合成視覺輔助Delta機器人偵測、追蹤與夾持系統。本論文使用單部攝影機裝設在工具軸的方式擷取影像，特點包括節省設備成本與裝設空間、可同時近距離做工件檢測與分析、可避免視覺感測被遮蔽、方便工具軸任務進行中重新調整定位姿態等。另外，視覺輔助工件量測與工具軸運動路徑規劃，則是轉換到卡氏世界座標運算，以利於分析狀態估測與夾取定位的精確度。本論文也測詴多項實驗，以驗證所發展的系統之效能。

This research develops a vision-assisted detection and tracking system, and utilizes the system to the clamping tasks of moving work-pieces on worktable with a Delta robot. Three systems are developed in this thesis include the Delta robot, vision-assisted measurement and moving work-piece estimation. In the Delta robot system, major works include the design of robot mechanism, the setting and tuning of motor drive and robot motion controller. Image processing, camera calibration, vision model and three-dimensional measurement are implemented in the vision-assisted measurement system. For the moving work-piece estimation system, the planar homography transformation is used to measure the planar coordinates of the work-piece, while the extended Kalman filter is employed to estimate the positions and velocities of the work-piece. The developed systems are integrated to perform the tasks of vision-assisted detection, tracking and clamping of moving work-pieces. This research uses single camera-in-hand vision which has the advantages of reducing cost, small installation space, close-looking investigation of work-piece, and avoidance of vision obstruction. The camera-in-hand system also enables the tool frame to adjust its attitude during a task is running. Meanwhile, the visual measurement and path planning of tool frame are implemented in Cartesian coordinate system for further analysis of state estimation and positioning. The experimental works are also carried out in the study to validate the performance of the developed systems.

摘要	Ⅰ
致謝	Ⅲ
目錄	Ⅳ
圖目錄	Ⅶ
表目錄	XI
第1章 序論	1
1.1 研究動機	1
1.2 研究目的	1
1.3 視覺輔助工件偵測系統	1
1.4 研究工作項目	3
第2章 機器人機構與運動學分析	4
2.1 機器人機構設計	4
2.1.1 機構細部設計與製作	4
2.1.2 視覺感測模組設計與製作	7
2.2 DELTA機器人運動學分析	8
2.2.1 正運動學分析	9
2.2.2 反運動學分析	11
2.3機構運動模擬	14
2.3.1 工具軸上下移動範圍測試	14
2.3.2 工具軸左右移動範圍	15
第3章 機器人驅動與控制系統	17
3.1 控制箱與配線	17
3.2 馬達、驅動器與減速機	20
3.3 機器人控制器	23
3.3.1 控制器參數設定	28
3.3.2 機器人座標系統設定	28
3.3.3 機器人控制程式	29
3.3.4 控制命令規格	30
3.4 氣壓夾爪	30
3.5 網路連線	31
3.5.1 RJ45傳輸線	31
3.5.2 網路連線監控與操控	32
3.5.3 網路連線函式測試	33
第4章 視覺量測系統	35
4.1 視覺感測模組	35
4.2 色塊偵測	36
4.3 攝影機校準	37
4.4 視覺量測模型	41
4.5 即時化視覺量測	42
4.5.1 即時化操控程式範例	44
第5章 工件位置與方向估測	46
5.1 單應性矩陣(homography matrix)	46
5.2 視覺輔助定位	48
5.3 立體物件辨識	51
5.4 立體物件方向與歪斜角度辨識	52
5.5 動態定位實作範例	54
第6章 移動工件偵測與追蹤	60
6.1 擴張型卡爾曼過濾器	61
6.2 工件的運動模型	61
6.3 量測模型	62
6.4 移動工件追蹤範例	63
6.4.1 工件不連續運動進行追蹤與偵測	63
6.4.2 工件連續運動進行偵測與夾取	66
6.4.3 歪斜工件推正範例	71

第7章 研究成果與討論	75
7.1 研究成果	61
7.2 未來研究方向	61
參考文獻	76
附錄A 設計概念	77
A.1 機構模組設計	77
A.2 機構概念設計	78
附錄B 驅動器參數定義與調機	79
B.1 大銀微系統馬達驅動器	79
B.1.1 PC控制馬達試運轉	79
B.1.2 手動調機	80
B.1.3 馬達與驅動器接線圖	82
附錄C 電腦端與控制器端網路連線設定	83
C.1 控制器端設定	83
C.2 電腦端設定	84
C.3 控制器模擬軟體(Cnc Mon32)	86
C.4 動態連結程式庫設定	87
 
圖目錄

圖1.1 硬體架構圖	2
圖1.2 資訊流程圖	2
圖2.1 三軸DELTA機器人	4
圖2.2 ProE立體圖	5
圖2.3 應力分析圖	5
圖2.4 固定底板	6
圖2.5 上桿設計	6
圖2.6 機構橫桿	6
圖2.7 機構下桿	7
圖2.8 攝影機安裝實體圖與Pro-E立體圖	7
圖2.9 交流伺服馬達與減速機繪製的3D圖	7
圖2.10 三軸DELTA機器人CAD圖與座標定義	8
圖2.11 運動學分析的座標系統設定	8
圖2.12 正運動學分析Matlab模擬圖	11
圖2.13 工具軸中心移動範圍	14
圖2.14 三軸馬達的轉動角度範圍	14
圖2.15 工具軸的上下運動範圍	15
圖2.16 工具軸在三軸相對應的移動範圍	15
圖2.17 工具軸左右移動範圍	16
圖2.18 工具軸在三軸相對應的移動範圍	16
圖3.1 DELTA機器人的控制流程	17
圖3.2 機器人控制箱	18
圖3.3 控制箱配線圖	18
圖3.4 開關迴路與驅動器單相電源圖	19
圖3.5 驅動器位置控制模式電路圖	19
圖3.6 馬達與驅動器接線圖	20
圖3.7 馬達煞車電路圖	20
圖3.8 驅動器(D2-0423-E-B4)	21
圖3.9 交流伺服馬達(FRLS202B406A)	21
圖3.10 驅動器控制架構圖	21
圖3.11 行星減速機(SD64-1-50M5)	22
圖3.12 新代控制器	24
圖3.13 新代控制器基礎架構	24
圖3.14 驅動器端SCSI接頭	25
圖3.15 驅動器端SCSI接頭腳位圖	25
圖3.16 控制器與驅動器間腳位搭配圖	27
圖3.17 機構參數示意圖	28
圖3.18 座標系統設定(ProE視圖)	29
圖3.19 座標系統設定	29
圖3.20 機器人控制器程式範例	30
圖3.21 氣壓夾爪	30
圖3.22 DIPOLE連線示意圖	31
圖3.23 一般網路線(使用HUB)	32
圖3.24 有跳線的網路線(不使用HUB)	32
圖3.25 動態連結程式庫清單	33
圖3.26 C#使用的函式原型	33
圖3.27 MFC使用的函式原型	33
圖3.28 電腦與控制器函式命令關係	34
圖4.1 Flea3.0攝影機	35
圖4.2 筆記型電腦	36
圖4.3 RGB影像轉換至HSV函式原型	37
圖4.4 侵蝕與膨脹函式原型	37
圖4.5 320x256pixels影像校準與影像修正	40
圖4.6 1280x1024pixels影像校準與影像修正	41
圖4.7 系統流程圖	43
圖4.8 控制器使用巨集變數程式	44
圖4.9 PC中C++程式	45
圖4.10 PC中C#程式	45
圖5.1 攝影機座標平面與影像平面關係圖	47
圖5.2 四個螺孔的相對位置	49
圖5.3 工作區域定義	49
圖5.4 表5.3g點原圖與色彩辨識圖	51
圖5.5 表5.5g點原圖與色彩辨識圖	51
圖5.6 影像裝置、各目標物與球場地面高度關係圖	52
圖5.7 水平置放物件辨識方向與歪斜角度	53
圖5.8 物件置放一個角度辨識方向與角度	54
圖5.9 夾爪移動路徑	55
圖5.10 t=4.544s側拍影像、擷取影像與影像處理	55
圖5.11 t=8.444s側拍影像、擷取影像與影像處理	56
圖5.12 t=12.325s側拍影像、擷取影像與影像處理	56
圖5.13 t=16.274s側拍影像、擷取影像與影像處理	57
圖5.14 t=20.153s側拍影像、擷取影像與影像處理	57
圖5.15 t=25.563s側拍影像、擷取影像與影像處理	58
圖5.16 動態定位時做範例場景	58
圖5.17 辨識物體在攝影機視角外	58
圖5.18 手臂回到參考點再次進行辨識	59
圖6.1 移動工件偵測與追蹤流程圖	60
圖6.2 Matlab模擬估測與預測工件的世界座標	63
圖6.3 Matlab模擬估測工件X方向與Y方向的速度	64
圖6.4 工件於t=2.42s的位置	64
圖6.5 工件於t=11.119s的位置	65
圖6.6 工件於t=20.538s的位置	65
圖6.7 工件於t=29.637s的位置	66
圖6.8 工件於t=38.303s的位置	66
圖6.9 世界座標X-Y平面即時化夾取的路徑及位置	67
圖6.10 世界座標X-Z平面即時化夾取的路徑及位置	68
圖6.11 工件於t=3.46s的位置	68
圖6.12 工件於t=7.754s的位置	69
圖6.13 工件於t=13.056s的位置	69
圖6.14 工件於t=18.015s的位置	70
圖6.15 工件於t=23.35s的位置	70
圖6.16 工件於t=29.946s的位置	71
圖6.17 歪斜工件推正範例實驗場景	72
圖6.18 工具軸推動方塊時	72
圖6.19 工具軸推動方塊後	72
圖6.20 第一次擺放側拍影像、擷取影像與影像處理	73
圖6.21 第二次擺放側拍影像、擷取影像與影像處理	73
圖6.22 第三次擺放側拍影像、擷取影像與影像處理	74
圖A.1 概念設計草圖與示意機構照片	77
圖A.2 DELTA機器人設計圖	77
圖A.3 活動接頭設計圖	78
圖A.4 兩段式桿件組合圖	78
圖B.1 驅動器人機介面	80
圖B.2 選取頻譜圖介面	81
圖B.3 頻譜圖介面	81
圖B.4 頻譜結果圖	81
圖B.5 馬達與驅動器接線圖	82
圖C.1 網路設定介面	83
圖C.2 核心伺服器設定介面	84
圖C.3 共用資料夾設定	85
圖C.4 共用資料夾進階設定	85
圖C.5 共用資料夾權限設定	85
圖C.6 網路共和中心設定	86
圖C.7 TCP/IPv4設定	86
圖C.8 後台連線設定	87
圖C.9 屬性設定一	87
圖C.10 屬性設定二	88
圖C.11 屬性設定三	88
 
表目錄

表3.1 驅動器規格	22
表3.2 馬達規格	22
表3.3 行星減速機規格表	23
表3.4 控制器規格表	25
表3.5 驅動器端SCSI接頭腳位定義	26
表3.6 控制器與驅動器間腳位搭配表	27
表3.7 速度參數定義	28
表3.8 機構參數定義	28
表3.9 命令解析度	30
表3.10 氣壓夾爪規格表	31
表4.1 攝影機規格表	35
表4.2 筆記型電腦規格表	36
表4.3 運算時間	37
表4.4 攝影機內部參數(320x256pixels)	40
表4.5 影像修正模型參數(320x256pixels)	40
表4.6 攝影機內部參數(1280x1024pixels)	41
表4.7 影像修正模型參數(1280x1024pixels)	41
表5.1 四個螺孔的世界座標	49
表5.2 工作區內點座標位置估測(320x256pixels; r=[48.2, 20 ,20]T)	49
表5.3 工作區內點座標位置估測(320x256pixels; r=[45.25, 23 ,15]T)	50
表5.4 工作區內點座標位置估測(1280x1024pixels; r=[48.2, 20 ,20]T)	50
表5.5 工作區內點座標位置估測(1280x1024pixels; r=[45.25, 23 ,15]T)	50
表5.6 像素解析度	50
表5.7 工作區內立體物件座標位置估測(1280x1024pixels; r=[48.2, 20 ,20]T)	52
表5.8 工作區內立體物件座標位置估測(1280x1024pixels; r=[45.25, 23 ,15]T)	52
表5.9 物件歪斜角度	53
表5.10 物件移動的世界座標與影像中的像素座標	54
表6.1 工件不連續運動視覺量測模型量測zk	63
表6.2 工件不連續運動卡爾曼過濾器估測狀態x	63
表6.3 工件連續運動視覺量測模型量測zk	67
表6.4 工件連續運動攝影機內部參數(320x256pixels)	67
表6.5 歪斜工件推正視覺量測模型量測zk	71
表6.6 歪斜工件推正卡爾曼過濾器估測狀態x	71
表C.1 後台連線參數定義	86

[1]林宥廷、黃品叡、周俊泓、翁廷鈞、胡雋彥、吳怡昕，2014，TKU Delta Robot，智慧機器人創意競賽。

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