本論文提出了一款互動式氣動球機器人，搭配網路攝影機與步進馬達來賦予機器人之視覺與人互動之能力，在設計上使用了Arduino Mega 2560開發板與OpenCV影像處理系統，分別負責機器人硬體控制以及影像辨識工作。影像處理系統是利用攝影機所抓取的連續擷取的影像，再將影像進行二值化的處理，如此一來就能先將背景與物體分別權重，再依任務需求選用適當的追蹤法則，經由計算後估測出目標物在影像畫面中對應之真實的移動速度與位置。機器人硬體控制是利用三顆步進馬達組成一龍門式XY平台，藉由影像得到目標物之座標，求出擊球之像素座標、目標物之速度、碰撞次數等資訊，將得到之資訊轉換成馬達控制訊號，達到機器人擊球目的。最後，經由實驗結果可得知本論文所提出的氣動球機器人可以跟使用者進行基本的來回擊球，以達到互動式機器人之功能。

This thesis propose an air hockey robot with using vision feedback. We use Arduino Mega 2560 board and OpenCV in the design. The OpenCV is used to achieve image recognition and the Arduino Mega 2560 is used to robot hardware control. The air hockey robot is also applied to some tools like webcam, stepper motors for giving robot vision system and interactive ability with people. The image recognition system use webcam to catch continuous image and let RGB pictures to be HSV pictures. Further, we could control the threshold to separate the background and use the tracking rule, which we needed to catch the puck and calculated the puck’s speed and position. On the other hand, we used three stepper motors to make the XY Table for hardware. Through the image recognition system, we could calculate the hit position, speed and pump times. Last but not least, we transfer the distance information to stepper motors controller to make the robot arrive the position. In summary, the experimental results that the proposed air hockey robot can do the simple hit to return the puck and make the interactive entertainment for players.

目錄
誌謝	I
摘要	I
ABSTRACT	III
目錄	V
圖目錄	VII
表目錄	X
第一章 緒論 1
1.1前言	1
1.2文獻回顧 3
1.3研究目的 5
1.4論文架構 6
第二章 氣動球機器人硬體架構 7
2.1球檯機構介紹 7
2.2球檯設計 8
2.2.1步進馬達控制系統 11
2.2.2 ARDUINO與RAMPS 1.4 13
2.3球檯控制 16
第三章 氣動球機器人視覺系統 20
3.1 OPENCV與影像處理介紹	20
3.1.1色彩空間 20
3.1.2影像二值化 23
3.1.3影像侵蝕 26
3.1.4影像膨脹 28
3.2球與守門員機器人位置截取 30
3.3球落點預估 35
第四章 氣動球機器人系統整合 41
4.1機器人攻防策略 41
4.2流程架構 43
4.3實驗測試與結果 45
第五章 結論與未來研究 51
5.1結論	51
5.2未來研究 51
參考文獻	53
圖目錄
圖1.1、Robear 1
圖1.2、Zenbo 1
圖1.3、Ulo 2
圖1.4、智慧視覺機器人系統 2
圖1.5、桌球機器人 3
圖1.6、機器人腱悟郎 3
圖1.7、VR Air hockey 4
圖1.8、Air hockey over a distance 4
圖1.9、Air hockey on IDAT 4
圖2.1、氣動球機器人硬體架構照片 7
圖2.2、鋁擠固定支架與攝影機支架 8
圖2.3、羅技C310 9
圖2.4、風力系統 9
圖2.5、XY 平台球檯 10
圖2.6、步進馬達 12
圖2.7、A4988馬達驅動板 13
圖2.8、Arduino Mega 2560控制板 14
圖2.9、Arduino 開發環境 14
圖2.10、RAMPS 1.4擴充板 15
圖2.11、Arduino 接線圖 16
圖2.12、X軸實驗結果 17
圖2.13、Y軸實驗結果 18
圖3.1、RGB色彩空間 21
圖3.2、HSV色彩空間 21
圖3.3、 RGB與HSV色彩空間之表現比較圖 22
圖3.4、關上左上方燈後影像比較圖 23
圖3.5、灰階化 24
圖3.6、各種閥值二值化結果 25
圖3.7、各種V最小值變化量二值化結果 26
圖3.8、侵蝕介紹 27
圖3.9、侵蝕效果 28
圖3.10、膨脹介紹 29
圖3.11、膨脹效果 30
圖3.12、影像擷取之流程圖 31
圖3.13、控制不同閥值抓取目標物 33
圖3.14、球盤座標抓取 33
圖3.15、球盤與守門機器人位置抓取 34
圖3.16、球的輸入區 36
圖3.17、無碰撞軌跡範圍 36
圖3.18、一次碰撞軌跡範圍 38
圖3.19、直線軌跡預估 38
圖3.20、碰撞軌跡預測測試條件一 39
圖3.21、碰撞軌跡預測條件二 39
圖3.22、修正預測軌跡測試條件一 40
圖3.23、修正預測軌跡測試條件二 40
圖4.1、攻擊模式 42
圖4.2、防守模式 42
圖4.3、輸出區 42
圖4.4、系統架構圖 43
圖4.5、軟體流程圖 44
圖4.6、撞擊後修正路徑圖 46
圖4.7、氣動球機器人無碰撞遊玩 47
圖4.8、無碰撞與碰撞穿插遊玩 49
圖4.9、軌跡預測螢幕顯示 50
表目錄
表2.1、氣動球所使用3D列印零件表 11
表2.2、Y軸方向最大速度與距離之影響關係 19

[1][Online] https://technews.tw/2015/02/25/robear/
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[4] [Online]https://www.ettoday.net/news/20180111/1090554.htm 
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[18] [Online] https://www.pololu.com/file/download/a4988_DMOS_microstep%20ping_driver_with_translator.pdf?file_id=0J450
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[20] [Online] http://www.reprap.org/mediawiki/images/0/06/RAMPS_dossier.pdf [21] [Online] http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/
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