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作者:謝佩均(2005-07-21);推薦:徐業良(2005-07-21)
附註:本文為九十四學年度元智大學機械工程研究所謝佩均碩士論文「具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發」第二章。

具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發—系統架構

本研究開發之具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人,讓使用者透過網際網路登入機器人,進而控制機器人在遠端動作並接收遠端環境資訊。在沒有使用者控制時,機器人會啟動自主行為模式沿著固定軌道。

本研究以凱迪威塑膠實業公司之廠房遠端監控作為應用標的,本章中首先介紹凱迪威公司的廠房環境、使用需求,並一此規劃整體系統架構。

1.     廠房環境及使用需求

凱迪威公司規劃讓本系統行走的軌道路線與廠房空間佈置如圖1所示。本廠房為72m×30m的空間,空間中剛好有9支鋼柱把此空間分成兩部分,而鋼柱的間距是8公尺右側目前僅在第2支鋼柱到第7支鋼柱間擺放了12台塑膠射出成型機台,規劃機器人行進的軌道即在工作人員行走的走道中間。

1. 系統行走的軌道路線與廠房空間佈置圖

針對此廠房監控需求,機器人規劃有以下三種模式:

(1)   自動巡邏模式

機器人自動沿著已規劃好的軌道來回巡邏,當機器人移動到規劃巡視的機台旁邊時(也就是觀察機台停止點),系統會停止前進,且攝影機轉到前一部機台的位置觀看其運行情況,系統設定在看10秒鐘後攝影機會反轉回到後一部機台的位置,觀看機台運行情況10秒鐘,如此完成觀察機台的動作。系統完成觀看機台的動作後攝影機會回到行走方向的位置觀看並離開停止點繼續前進,且在行走途中有障礙物擋住機器人,機器人會利用閃光蜂鳴器,發出聲響請在廠房中的人員注意,而巡邏至軌道盡頭時系統行走方向與攝影機觀看位置會自動轉向,開始反向行走的巡邏。

(2)   充電模式

機器人偵測到自身電力不足時,會自動行走到充電站旁開始充電,在充電的同時攝影機還是繼續作動,使用者能透過網路操控頁面控制攝影機巡視或切換到需要觀看的區域,持續監控廠房機台,直到電池充電完成,才繼續回到自動巡邏模式。使用者也可以打斷機器人充電,要求機器人到特定的觀察停止點觀看機台,讓維護單位可以即時處理有問題的機台。如有需求,使用者亦可命令機器人停留在充電站,以方便現場人員工作。

(3)   手動巡邏模式

遠端使用者在需要時能停止自動巡邏模式,點選規劃路徑中想要觀察機台的區域,如圖1的中的4個停止點,系統即會前進到點選的區域觀察前後兩台機台。手動巡邏模式下使用者可自行選擇恢復為自動巡邏模式或充電模式,或是在使用者停止點選所要觀察的機台15分鐘後,機器人自動恢復為自動巡邏模式。而為避免影響現場人員工作,機器人不規劃手動漫遊功能(讓遠端使用者直接控制人的前進、後退、轉彎等行走動作),但仍保留此擴充彈性。

2.     系統架構

針對此需求,本研究開發之遠端臨場機器人系統架構如圖2所示。機器人主要分成遠端臨場控制與自主行為能力兩個系統,遠端臨場控制系統,是由網路攝影機、聲音模組、環境感測裝置、PIC SERVER、行控電腦、無線路由器、行動平台、與電池所構成,在此系統下遠端使用者可以透過網際網路登入操作網頁控制機器人,以及透過網路攝影機、聲音模組、與環境感測裝置可得知環境中的情況;自主行為能力系統是由環境感測裝置、IP CAM、行控電腦、無線路由器、行動平台、與電池所構成,在沒有使用者登入,或是使用者切換啟動到自主行為能力系統時,機器人會由行控電腦處理環境感測裝置的訊號,自主的在環境中運作,甚至當環境有緊急狀況發生時,機器人也能感知、判斷,並透過網路主動傳訊給使用者或維護人員前來處理。

2. 系統架構圖

以下分別介紹本系統中的主要元件:

(1)   網路攝影機

本系統採用SONY SNC-RZ25N網路攝影機(如圖3)達成單向影像傳輸與雙向語音溝通功能。其有優異的PTZ功能,可拍攝達340度的全景、上下傾斜角度120度、與18倍光學變焦(300倍的數位變焦),使用者可直接在網頁上看到廠房影像,更可以透過個人電腦上的麥克風、擴音喇叭直接與廠房裡的作業人員進行雙向語音溝通。

3. SONY SNC RZ-25N網路攝影機

(2)   控制核心

機器人的控制核心是由PIC SERVER與行控電腦組成,皆為八位元單晶片微控制器,圖4PIC SERVER(網路伺服單晶片)負責網路通訊,行控電腦則負責訊號接收、運算,並發出控制指令。

4. 網路伺服單晶片

(3)   行動平台

行動平台用以承載相關設備,接受遠端使用者指令前進、後退、左右轉彎與停止等動作,或延著固定軌道行動。如圖5,本系統中採用左右輪獨立馬達控制差速方式,達成左右轉彎動作,並應用無人搬運系統AGV(Automatic Guided Vehicle)地面路徑追蹤的技術,達成延著固定軌道行動。為讓機器人可以清楚的觀看到環境中的機台或物體,攝影機高度設定在離地面高度90cm,也就是行動平台高度設計為離地大約70cm

5. 行動平台作動示意圖

(4)   環境感測裝置

機器人裝置了一些環境感測裝置,如當軌道前方有障礙物時,機器人會自動停止前進,發出警示聲響,待障礙物移除時,再自動前進。同時也可以視需求加裝其他環境感測裝置,如溫度、濕度、噪音、照度等,將環境的狀況傳回給使用者。

(5)   無線網路

工廠廠房使用ADSL與網際網路連接,並架設一部無線網路基地台,機器人本身搭載一台無線網路路由器連接PIC SERVERIP CAM

(6)   電源

機器人整合多項的設備,而電力來源是鉛酸電池,並在環境中搭配一充電站,讓機器人在電力不足時可自動進入充電站充電,以維持系統的正常運行。

3.     機器人空間佈置

為達成整個系統的設計,機器人規劃總共15項元件,表1為各元件規格表。圖6為機器人行動平台乘載各設備的配置圖,共有三層空間,各零組件以堆疊方式裝設,每層空間高度由所須裝設的零組件尺寸規格決定,圖7為機器人3D模型。

1. 系統各元件規格說明

名稱

規格說明

IP CAM

140(W)×200(H)×148(D)mm1.3kgDC12V,網路影像傳輸

PIC_SERVER

70(W)×25(H)×113(D)mm0.2kgDC12V,網路訊號傳輸

行控電腦

100(W)×25(H)×100(D)mm0.15kgDC12V,自主行為控制

AP無線路由器

185(W)×40(H)×205(D)mm0.5kgDC5V,網路無線傳輸

閃光蜂鳴器

100(W)×40(H)×150(D)mm0.3kgDC12V,控制發出警報

電源配置板

60(W)×25(H)×60(D)mm0.1kgDC12V,電源供應分配

軌道辨識器

90(W)×40(H)×90(D)mm0.15kgDC12V7個光電開關

電池

65(W)×94(H)×151(D)mm3.0kgDC12V(10Ah),電源供應

直流馬達

43(W)×43(H)×80(D)mm0.7kgDC12V

直流馬達驅動器

65(W)×30(H)×90(D)mm0.02kgDC12V

傳動機構

280(W)×105(H)×320(D)mm1.5kg,驅動輪與輔助輪

充電器

50(W)×30(H)×100(D)0.01kgDC6V,充電端子與RC_SERVO

超音波感測器

25(W)×25(H)×45(D)mm0.05kgDC5V,距離感測

警示燈

30(W)×30(H)×45(D)mm0.03kgDC12V,警示靠近者

結構

5mm10mm厚度壓克力板,ψ20塑膠圓柱,承載支撐

6. 機器人空間配置圖

7. 機器人3D模型配置圖

8即為本研究開發之遠端臨場機器人成品照片,車體尺寸為46cm(L)×45cm(W)×95cm(H),車身總重15kg,平均行走速度為8cm/s,最快可達15cm/s,最小迴轉半徑50cm,旋轉角速度為/s,蓄電能力以一般速度行走可維持1.5小時,充電時間設定為2.5小時。以下各章即深入描述各元件設計。

8. 機器人外觀