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作者:蔡宗成(2002-01-29);推薦:徐業良(2001-02-01)

遠端代理機器人頭部機構設計

1. 頭部機構設計需求

遠端代理機器人是在遠端臨場(telepresence)技術的概念下所發展出來的一種新的溝通方式,遠端代理機器人的頭部機構與攝影機裝置能將遠端的景象及時傳送給使用者,再透過頭戴顯示器裝置,提供使用者真實的臨場感。本研究的目的是藉由使用者能以頭部轉動訊號控制代理機器人的頭部機構,讓使用者得到所需要的影像、角度等,有身歷其境的感受。

Telepresence相關的應用裡,也有不少學者專注於此方向研究,例如Brooker等人[Brooker et al, 1999]發展一套視覺遠端臨場系統(Visual Telepresence System),包括攝影機旋轉座與頭戴顯示器,他們使用一套眼球追蹤系統(IR eye tracking system)來感測使用者的眼球運動,並將這眼球追蹤系統整合在頭戴顯示器上,使用者可以直接轉動眼珠來控制攝影機的角度、位置,藉由影像回饋獲得真實的臨場感;Agah等人[Agah et al, 1998]也發展一套博物館導覽機器人,使用者可藉由這套系統參觀遠端的博物館,他們將攝影機架設在機器手臂上,使用者戴上頭戴顯示器來控制攝影機的拍攝角度,他們的目的是希望使用者能以簡單的操控方法來獲得真實的臨場感。

上述學者們所發展的遠端臨場應用可以了解讓使用者以生理訊號來直接控制攝影機的位置、角度是獲得臨場感的必要條件,本研究同樣朝此方向,使用者不需複雜的控制指令,只要使用頭部轉動訊號即可控制遠端代理機器人的頭部機構動作,獲得真實的臨場感。

人類頸部是由七個關節所組成,能做出靈活的動作,而代理機器人的頭部機構至少要能模仿人類垂直點頭與水平轉頭等動作,且裝設一台攝影機模擬人類視覺,所以代理機器人頭部機構有以下設計需求:

(1)   有二個自由度,分別為垂直旋轉自由度與水平旋轉自由度。

(2)   要有定位功能,以步進馬達作為傳動裝置。

(3)   步進馬達必須能乘載攝影機等裝置,做出人類頭部垂直與水平所能轉動的角度與角速度。

(4)   頭部機構的體積會影響人們對代理機器人的觀感,必須仔細定義。

(5)   頭部機構的重量會影響軀幹負荷、行動馬達負荷等,故應儘量輕量化。

2. 垂直旋轉機構設計

垂直旋轉機構是要帶動攝影機模仿人類頭部抬頭與低頭等動作,文獻中指出人類頭部可輕鬆地垂直轉動角度約為上下30度內(如圖1),所以此處垂直旋轉機構的旋轉角度訂為上下30度。此外本研究是以HMR3000方向感測器偵測使用者頭部動作,而此感測器的垂直偵測角度為水平上下22.5度,故本研究之垂直旋轉機構在上下30度位置加裝極限開關,防止方向感測器偵測到錯誤訊號而產生不可預期的動作。

1. 頭部在垂直面動作範圍【龔錦,1991

訂定垂直旋轉機構的旋轉角度後,必須計算步進馬達的扭力,用以乘載攝影機等機構。如圖2所示為攝影機的3D模型,尺寸大小為,並設計一中空立方體,尺寸大小,使攝影機相關線路可裝設在裡面。

2. 攝影機及其平台

如圖3所示,代入攝影機重量與中空立方體材料性質(聚丙烯,密度0.9g/cm3),並定義座標系統原點於中空立方體一角,可以得到此攝影機平台的總重量約為347g,質量中心位置為X=22.00Y=22.00Z=47.49mm

3. 攝影機平台計算值

4為此攝影機平台的自由體圖,Z為質量中心位置的距離,為質量中心到旋轉支點距離,L為旋轉支點位置,支撐點的扭力計算如(1)式,由計算式得到旋轉支點越接近質量中心,扭力值會越小,而最小值為旋轉支點圓孔半徑長度,此圓孔半徑為3mm,所以計算扭力至少為

                                         (1)

4. 攝影機平台自由體圖

計算出步進馬達扭力值後,查詢目錄,可得到合適規格的步進馬達。因為步進馬達不適合直接驅動此攝影機平台,所以使用齒輪來傳遞動力,將步進馬達裝在攝影機下方,如圖5所示,使用45齒與30齒的齒輪,不僅可傳遞動力,且可放大扭力1.5倍,垂直旋轉精密度達1.2度步進角。

5. 垂直旋轉機構

建立完垂直旋轉機構3D模型,輸入個別零件密度,可獲得此組合件整體重量、質量中心與慣性矩等資料,如圖6所示,自行定義座標系統,則質量中心位置X=34.72Y=68.34Z=29.95mm,由此數據作為水平旋轉機構設計參數。

6. 3D垂直旋轉機構相關數據

3. 水平旋轉機構設計

水平旋轉機構就是以步進馬達來帶動垂直旋轉機構模擬人類水平轉頭動作,如圖7所示,文獻中指出人類頭部的舒適轉動角度為左右45度,本研究使用之HMR3000方向感測器能偵測360度,所以此處水平旋轉機構的旋轉角度定為360度,但將特別注重中線左右45度動作反應之速度與順暢。

7. 頭部在水平面動作範圍【龔錦,1991

訂定水平旋轉角度後,便要計算步進馬達的扭力,由3D模型所計算的質量中心,得到水平旋轉中心軸位置及慣性矩,假設步進馬達由靜止w0啟動到角速度為w(rad/s)(rad/s2)為角加速度,旋轉角度q(rad)度,步進馬達所需提供的扭力T()計算如(2)式:

        , ,                                    (2)

假設,水平旋轉角度,由(2)式計算,則步進馬達扭力,查詢步進馬達目錄,可得到合適的規格。圖7為頭部旋轉機構3D模型,體積為,重量約為1108.48g

7. 頭部旋轉機構3D模型

4. 實際成品規格與性能

8為完成之代理機器人頭部旋轉機構實體圖,總重量為1.155kg,與3D軟體計算值的差距是螺絲、軸承等零件重量。攝影機俯仰角為,經實際測試運動速度由最低點到最高點最快可達而不失步。水平轉動角度為,運動速度最快可達,應可模擬人類頭部轉動速度與流暢度。

8. 頭部旋轉機構實體圖

參考資料

Brooker, J.P., Sherkey, P.M., Wann, J.P., and Plooy, A.M., “A helmet mounted display system with active gaze control for visual Telepresence,” Mechatronies, Vol.9, pp. 703-716, 1999.

Agah, A., Walker, R., and Ziemer, R., “A mobile camera robotic system controlled via a head mounted display for Tele-Presence,” in Systems, Man, and Cybemetics, Vol.4, pp.3526-3531, 1998.

龔錦編譯,人體尺度與室內空間,博遠出版有限公司,1991