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作者:蔡宗成 (2000-03-27);核可:徐業良 (2000-05-01)
附註:本文為申請國科會八十九學年度「大專學生參與專題研究計畫」計畫書。

XY工作台與影像監控之研究使用滑鼠同步操控

背景目的

XY工作台是由兩軸向互相垂直組合而成且可直進的機構,它可作平面的定位與速度控制〔陳雙源﹐1996〕,典型的應用如CNC車床的位移控制即是由XY軸的步進馬達所帶動。步進馬達由其驅動器(功率放大器)供給電能,而驅動器則接受電腦控制,電腦逐一收集感測器介面的輸入訊號,加以處理後,控制XY軸馬達的定位及轉速,依照順序地完成電腦程式所設定的步驟。XY工作台的控制方式,先決條件是設計出一個軌跡規劃器,依照工作台所要控制運動的軌跡,順序送出脈波訊號,通知伺服馬達動作,一軸脈波的總數代表工作台一軸機構的位移量,脈波的頻率代表伺服馬達的速度。

為了體驗研究活動、學習研究方法,並加強實驗、實作之能力,本計畫並不按照先前固定式的控制方法,改以使用現今Windows作業系統最方便的輸入界面,也就以滑鼠同步操控XY工作台,並加裝CCD數位攝影機,將鏡頭前所拍攝的影像傳回電腦螢幕,形成一閉迴路控制系統[Franklin, et al., 1994],以使用者的視覺作為回饋訊號,透過滑鼠同步修正XY工作台的位置及速度。圖1為此回饋系統之系統方塊圖。

圖一 系統方塊圖

由於CCD數位攝影機能將影像透過網路傳輸,只要利用遠端遙控,遠方的使用者也能直接操控XY工作台,完全不受時間和空間的限制。

研究方法與進行步驟

以下先對本計畫之研究方法與進行步驟作一說明,接著並描述此計畫之初步設計構想。本計畫共分三個階段進行,預計以八個月的時間,完成以滑鼠透過影像同步操控XY工作台,也能透過網路遠端遙控。各階段工作細節分述如下

第一階段:知識養成期

第一階段先研究步進馬達的運作原理,這種馬達隨著外界給予的脈波訊號而作旋轉運動,角度與轉速極容易控制,廣泛用於電子產品中,選用步進馬達先要了解輸出扭矩大小與轉速等規格,還有步進角,也就是輸入步進馬達一個脈衝,馬達軸的轉動角度,藉由控制其輸入的脈衝數便可控制其轉動〔徐業良,1997〕。通常使用者事先計算出所需之脈衝數,再以鍵盤輸入數位訊號,藉由數位類比轉換器(DAC)傳送類比資料到步進馬達,便可產生運動作用。

第二階段:知識運用期

第二階段將鍵盤運作原理運用在滑鼠上,滑鼠是以電壓供應內部發光二極體,當滑鼠移動時,內部的光學解碼器會偵測軌跡球的轉動,在X軸和Y軸各有一組,將滑過表面的移動轉成在電腦螢幕上的游標位置,除了基本的滑鼠應用程式外,必須自行以Visual Basic語言設計能將滑鼠移動的座標和速度讀取出來,將此數位訊號轉換成類比訊號,而此程式必須方便好用為原則,以圖形化界面增進使用的便利性,也可另外設計輸入表格,使用者可以直接輸入數值和方位操控,達到精確的位置變化。

第三階段:工作台組裝與評估

本階段主要工作是設計XY工作台,機台設計以模型展示為主,以適當的體積尺寸達到此計畫所要求的目標即可,XY工作台上架設數位攝影機必須考慮使用者操作滑鼠的速度,和因為移動導致攝影機傳送影像時聚焦等因素,必須加以測試,並將測試結果加以評估修正。

初步設計構想

本計畫目的以滑鼠輸入裝置在Windows作業系統上,以數位攝影機傳送的影像經使用者判斷後,直接以滑鼠同步操控XY工作台,此機台必須跟隨使用者的滑鼠指標移動方向,如前後左右移動,也能讓遠端使用者透過網路操作此機台,以下便對所要求功能的初步構想,作一概略說明

2 XY工作台初步設計構想圖

2XY工作台初步設計構想圖,其設計重點在於

1.  XY工作台能跟隨使用者移動滑鼠的位移和速度。

2.  除了滑鼠移動座標,也能以鍵盤輸入數值,達到更精確的定位。

3.  數位攝影機所傳回的影像必須清晰可辨。

4.  遠端使用者能透過網路作遠端遙控。

學習目標

執行本計畫之學習目標條列如下:

1.          了解機構的運動方式。

2.          以等速驅動、變速驅動為分野,認識系統負載的計算方法,並由驅動器的扭力曲線,了解機械系統的動態。

3.          學習如何選擇適當的減速比,使機械系統獲得最佳的輸出。

4.          了解常用機械材料之規格。

5.          認識線性軸承及定位滑軌。

6.          了解光學編碼器的基本原理。

7.          了解步進馬達、直流伺服馬達,且學習如何選用。

8.          了解開路系統與閉路系統的基本觀念。

9.          學習利用回饋訊息修正輸出訊號。

10.      了解類比數位轉換介面的工作原理、規格、程式呼叫等使用上的應用。

11.      學習數位資料取樣的技術及認識基本數位濾波器。

12.      了解如NC車床、NC鑽孔機等XY工作台的應用。

13.      了解XY工作台最大加減速、最大速度、位移精度。

14.      學習數位攝影機的運作原理。

15.      了解網路遠端遙控的原理。

16.      學習設計Visual Basic語言應用程式。

17.      體驗研究活動、學習研究方法。

18.      加強實驗、實作之能力。

19.      訓練撰寫計畫書之能力。

20.      培養獨立思考的能力。

預期成果

本計畫在學習以人眼視覺感測回饋訊號,在Windows作業系統移動滑鼠,以滑鼠的位移和速度操控XY工作台,並加裝數位攝影機,增加移動自由度和旋轉自由度,並以網路為傳輸管道,遠方的使用者只要連上網路,利用遠端遙控,便可操作此XY工作台,傳達所需要的影像與聲音。

如前所言,以滑鼠在Windows作業系統上透過數位攝影機操控XY工作台有缺少相關經驗、較難同步操作、以及缺乏相關軟體等困難,會從現在開始收集相關資料、並請指導教授給予教導,充實自己的專業知識,預期成果如下:

1.  探討滑鼠的基本原理:了解滑鼠的輸出與輸入訊號,讀取滑鼠在螢幕上移動時,將移動速度和位移座標傳達至步進馬達或伺服馬達,轉成XY工作台所需移動的方位和速度。

2.  選擇適當的傳動機構:為了能使XY工作台的移動速度能達到使用者操控滑鼠的同步動作,除了以軟體限制滑鼠指標移動的速度外,必須選擇合適的傳動機構和控制馬達,在XY工作台,使用者能根據數位攝影機傳回來的影像,透過滑鼠往前、後、左、右移動到指定的方位。

3.  自行設計應用軟體:為了讀取滑鼠移動的座標與速度,必須設計出與滑鼠相結合的應用程式,Visual Basic語言能搭配Windows作業系統設計出符合人性操作的使用者界面,且Visual Basic語言對非專業程式設計師而言,較為單純好學,也能達到所要求的工作,免去花太多時間在研發軟體上。

本計畫著重在以滑鼠直接操作XY工作台上的數位攝影機,傳回使用者所需要的影像,作為判斷與感測依據,也可使用網際網路,讓遠端的另一位使用者也能連線遙控此XY工作台。

參考書籍

Franklin, G. F., Powell, J. D., and Emami-Naeini, A., 1994. Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd ed. Addison Wesley, p1~83

江宗達﹑鐘健文 編譯,1995IBM PC與感測器介面的探討,全華書局。

林士鋆,1997滑鼠驅動程式設計實務,文魁出版社。

洪錦魁,1999Visual Basic 6.0,文魁出版社。

徐業良,1997機械設計,全華書局p 10-1 ~ 10-43

陳雙源,古碧源,黃榮堂,龍仁光編譯,1997機電整合導論,東華書局。

陳天青﹑廖信德﹑戴任詔 編譯,2000機電整合,高立書局。