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系統識別號 U0002-1808200809163800
中文論文名稱 具單眼視覺的小型人型機器人之自然特徵式同時定位與建圖
英文論文名稱 Simultaneous Localization and Mapping based on Nature Features for a Small-size Humanoid Robot with Monocular Vision
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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 王人蔚
研究生英文姓名 Jen-Wei Wang
學號 695370717
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-02
論文頁數 97頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-李祖聖
委員-翁慶昌
委員-張文中
委員-劉昭華
中文關鍵字 人型機器人  單板電腦  擴張型卡爾曼 
英文關鍵字 Humanoid Robot  PC-based  EKF 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文在小型人型機器人系統上以擴張型卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter, EKF)實現單眼視覺的同時定位與建圖(Simultaneous Localization And Mapping, SLAM)。應用影像特徵點辨識與追蹤方法,找到影像特徵點,利用2張影像中相同的特徵點計算深度,得知特徵點在空間中的3D座標,提供機器人EKF SLAM之用。本研究也自製一部符合RoboCup小型(kid-szie)規格的人型機器人,搭配單板電腦(PC-based)控制器。整合機器人與EKF SLAM系統,將能夠在簡易的室內環境中,進行同時自我定位與地圖建立。
英文摘要 In this thesis, a single-camera simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm based on the extended kalman filter(EKF) is developed for a RoboCup Kidsize humanoid robot. In order to find the image-features, we applied the recognition of features and the tracking techniques, using two same image-features to calculate the depth. The three dimension feature positions would be used by robot EKF SLAM.We design and fabricate a PC-based humanoid robot which is conformed to the regulation of RoboCup Kidsize humanoid robot league. The integrated humanoid robot and EKF SLAM system can be implemented SLAM in simple indoor environments.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅹ
參數定義 ⅩⅠ

第1章 序論 1
1.1研究動機與研究目的 1
1.2文獻探討 2
1.3研究範圍 3
1.4論文架構 3

第2章 同時自我定位與建圖 4
2.1機器人座標系統 4
2.2擴張型卡爾曼濾波器(EKF) 6
2.2.1 EKF系統狀態方程式 6
2.2.2 EKF量測方程式 8
2.2.3 狀態與量測的估測(Prediction) 8
2.2.4 估測的更新(Estimation update) 9
2.3相機校正 14
2.4特徵點化初始化 16

第3章 運動學分析 20
3.1反向運動學與AGB-65步態命令轉換 23
3.2行進步態規劃 24
3.2.1直走前進 24
3.2.2右平移 28
3.2.3左平移 31
3.2.4右旋轉(順時針旋轉) 35
3.2.5左旋轉(逆時針旋轉) 38

第4章 機器人機構設計與系統架構 42
4.1機器人機構設計 43
4.1.1腿部設計 44
4.1.2上半身設計 45
4.1.3頭部設計 46
4.1.4手臂設計 46
4.1.5設計圖組合 46
4.2 鈑金材料選用 47
4.3 機電整合系統設計 47
4.3.1伺服機 48
4.3.2伺服機驅動板 48
4.3.3工業電腦 49
4.3.4電源系統 50
4.3.5攝影機 51
4.3.6軟體 51
4.4機器人實作與組裝 53

第5章 實驗結果與分析 57
5.1相機校正結 57
5.2影像深度求算範 60
5.3 EKF特徵點不變動模擬範例 61
5.4 EKF特徵點變動模擬範例 64
5.5 EKF路徑閉合模擬範例 69
5.6 EKF直線範例 72
5.7 EKF路徑閉合範例 74

第6章 研究成果與討論 76
6.1 研究成果 76
6.2 未來研究方向 76

參考文獻 78

附錄A 相機校正 81
附錄B KalmanFilter 88
附錄C 機器人機構限制 91
附錄D KONDO伺服機 92
附錄E 鋁合金化性、物性、特性一覽 93
附錄F 伺服機驅動板AGB65-RCS 95
附錄G 工業電腦 96
附錄H 攝影機 97

圖目錄
圖1.1 處在模擬居家環境中的機器人(一) 2
圖1.2 處在模擬居家環境中的機器人(二)2
圖2.1 系統流程圖 4
圖2.2 世界座標系統 5
圖2.3 攝影機座標與二維影像座標系統 6
圖2.4 二維影像平面座標 6
圖2.5 攝影機座標與特徵點 19
圖2.6 球體座標的經度角度標示 19
圖2.7 球體座標的緯度角度標示 19
圖2.8 移動攝影機座標 19
圖3.1 機器人各軸座標系 22
圖3.2 機器人馬達編號 23
圖3.3 AGB65-RSC編碼格式圖 23
圖3.4 直走前進 Step1-Step5 25
圖3.5 機器人直走前進 Step1-Step5 25
圖3.6 直走前進 Step6-Step10 26
圖3.7 機器人直走前進 Step6-Step10 26
圖3.8 直走前進 Step11-Step15 26
圖3.9 機器人直走前進 Step11-Step15 27
圖3.10 右平移Step1- Step5 28
圖3.11 機器人右平移Step1-Step5 29
圖3.12 右平移Step6-Step9 29
圖3.13 機器人右平移Step6-Step9 30
圖3.14 右平移Step10-Step12 30
圖3.15 機器人右平移Step10-Step12 31
圖3.16 左平移Step1-Step5 32
圖3.17 機器人左平移Step1-Step5 32
圖3.18 左平移Step6-Step9 33
圖3.19 機器人左平移Step6-Step9 33
圖3.20 左平移Step10-Step12 34
圖3.21 機器人左平移Step10-Step12 34
圖3.22 右旋轉(順時針旋轉)Step1-Step5 35
圖3.23 機器人右旋轉(順時針旋轉)Step1-Step5 36
圖3.24 右旋轉(順時針旋轉)Step6- Step9 36
圖3.25 機器人右旋轉(順時針旋轉)Step6-Step9 37
圖3.26 右旋轉(順時針旋轉)Step10-Step12 37
圖3.27 機器人右旋轉(順時針旋轉)Step10-Step12 38
圖3.28 左旋轉(逆時針旋轉)Step1-Step5 39
圖3.29 機器人左旋轉(逆時針旋轉)Step1-Step5 39
圖3.30 左旋轉(逆時針旋轉)Step6-Step9 40
圖3.31 機器人左旋轉(逆時針旋轉)Step6-Step9 40
圖3.32 左旋轉(逆時針旋轉)Step10-Step12 41
圖3.33 機器人左旋轉(逆時針旋轉)Step10-Step12 41
圖4.1 機器人尺寸規格圖 43
圖4.2 踝關節圖 44
圖4.3 髖關節圖 44
圖4.4 機器人上半身設計圖 45
圖4.5 機器人上半身設計圖 45
圖4.6 胸部零件配置圖 45
圖4.7 背包零件配置圖 45
圖4.8 頭部設計圖 46
圖4.9 手臂設計圖 46
圖4.10 機器人設計組合圖 47
圖4.11 系統架構圖 48
圖4.12 KRS-4014 HV 48
圖4.13 KRS-4024 SHV 48
圖4.14 KRS-788 HV 48
圖4.15 AGB65-RCS實體圖 49
圖4.16 研揚工業電腦PFM-5401 49
圖4.17 SAMSUNG Li電池 50
圖4.18 IDD-936260A電源穩壓器 50
圖4.19 電池供電配置圖 51
圖4.20 Microsoft LifeCam VX-6000 51
圖4.21 人機介面 52
圖4.22 機器人操作介面圖 53
圖4.23 伺服機與鈑金 54
圖4.24 機器人正視圖 54
圖4.25 機器人側視圖 55
圖4.26 機器人背視圖 55
圖4.27 機器人上視圖 56
圖5.1 測試用方格紙 58
圖5.2 還原曲線 58
圖5.3 特徵點不改變機器人的位置 62
圖5.4 特徵點不改變機器人的角度 62
圖5.5 特徵點不改變機器人的速度 63
圖5.6 特徵點不改變機器人的角速度 63
圖5.7 特徵點不改變第1特徵點 64
圖5.8 第1張特徵點影像圖 65
圖5.9 第2張特徵點影像圖 65
圖5.10 特徵點改變機器人的位置 66
圖5.11 特徵點改變機器人的角度 66
圖5.12 特徵點改變機器人的速度 67
圖5.13 特徵點改變機器人的角速度 67
圖5.14 特徵點改變第1特徵點 68
圖5.15 特徵點改變第5特徵點 68
圖5.16 特徵點改變第5特徵點 69
圖5.17路徑閉合xy平面機器人路徑與特徵點圖 70
圖5.18 路徑閉合機器人的位置 71
圖5.19 路徑閉合機器人的速度 71
圖5.20 自然環境攝影機位置(一) 72
圖5.21 自然環境攝影機位置(二) 72
圖5.22 網路攝影機擷取圖(一) 72
圖5.23 網路攝影機擷取圖(二) 72
圖5.24 機器人平移所建立的地圖,特徵點為深度計算值 73
圖5.25 機器人平移所建立的地圖,特徵點為EKF的估測值 73
圖5.26 網路攝影機擷取圖(三) 74
圖5.27 網路攝影機擷取圖(四) 74
圖5.28 機器人移動所建立的地圖,特徵點為EKF的估測值 75

表目錄
表3.1 Right leg DH parameters 20
表3.2 Left leg DH parameters 21
表3.3 Right hand DH parameters 21
表3.4 Left hand DH parametes 21
表3.5 Head DH parameters 21
表3.6 立正姿態的步態角度初始值與控制命令初始值 21
表3.7 馬達旋轉角度與θi之間的轉換 23
表4.1 機器人規格 42
表4.2 關節規格 44
表4.3 人機介面按鈕功能 52
表5.1 影像特徵點位置量測 59
表5.2 相機校正誤差值 59
表5.3 影像特徵點位置 60
表5.4 影像還原前誤差值 61
表5.5 影像還原後誤差值 61
表5.6 特徵點位置座標(一) 61
表5.7 特徵點位置座標(二) 65
表5.8 第1次更改特徵點位置 65
表5.9 第2次更改特徵點位置 65
表5.10特徵點位置座標(三) 70

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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2013-08-21公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2013-08-21起公開。


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