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作者:謝佩均(2005-07-23);推薦:徐業良(2005-07-24)
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」第六章。

具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發—實際測試與結論

本研究開發之遠端臨場機器人最重要的挑戰,是能在鎧迪威公司廠房24小時開機,長期持續正常運作而能有相當的可靠度。本章敘述實際測試狀況,以瞭解機器人在反覆運作之下,是否會發生失效、故障等不預期之操作狀況,以提早做出解決辦法。

1.         功能可靠度測試與模擬廠房長期測試

本系統各項功能均能達成,本測試在實驗室環境下反覆測試各項功能,了解其是否有足夠可靠度。測試項目包括是圖騰辨識(各個圖騰反覆測試10次,觀察系統是否能正確辨識圖騰與對應相關作動)、自主行為與遠端操控模式切換(反覆切換20次,觀察模式間是否切換正常)、以及充電測試(反覆執行20次,觀察是否均能夠順利充電)。從測試過程中觀察可靠度不佳的原因,並進而將本系統作以下修正:

(1)   原先圖騰辨識程式AGV行動程式並未分離,系統隨時都在同時辨識軌道路徑與辨識圖騰,兩者容易混淆、因而失誤率較高。發現此問題後將圖騰辨識程式AGV行動程式獨立開來,如前面章節所述,AGV行動程式辨識到T型圖騰時再啟動圖騰辨識程式,此種方式大幅提高辨識正確率。此外直行、轉彎、辨識圖騰均設定快慢不同速度,讓機器人可以更穩定沿著軌道行走,不易發生走出軌道的情況。

(2)   充電切換電路中的繼電器線圈斷電後復位的速度較激磁時慢,因此在充電完成後,充電接點關閉時的瞬間,會造成系統短暫的斷電而重開機,後來改換成固態繼電器解決此問題。此外原本在充電時,系統是獨立執行充電程式而不能接受外界指令的輸入,經過廠商要求增加外界指令的判斷程式後,系統在充電時每5秒會做一次是否有外界指令輸入的確認,如有外界指令輸入,機器人即會離開充電站做使用者所指定的作動。

接下來進行模擬廠房長期測試,利用一空間模擬機器人在工廠廠房中所會對應的所有作動,目的在模擬之後機器人架設在廠房中24小時作動時會發生的問題。模擬廠房佈置如圖1所示,在此空間中有4部的機台與兩個轉彎讓軌道沿著要觀測的機台擺置成ㄇ字形,希望藉此也測試機器人的彈性,行走軌道圍繞著機台,軌道與牆壁有30cm的空間,軌道來回全長約720cm,圖騰分佈如圖所示,圖騰間最短距離為60cm。模擬實驗場地中架設無線網路,且利用區域網路模擬網際網路,而遠端使用者則使用在別間實驗室監控,利用DVD攝影機錄下模擬過程,並建檔已方便檢查機器人故障之原因。

1. 模擬廠房空間佈置概要圖

模擬機器人在廠房所會做的作動,以一個循環為單位。一個循環包含自主巡邏模式下機器人沿著軌道巡邏完4個機台且回到起始的端點,接著使用者利用網路瀏覽介面,依序點選所要觀察的機台(機台1è機台2è機台3è機台4è機台3è機台2è機台1),然後再點選回自主巡邏模式,直到系統運作到判定電量不足,自動來到充電站旁充電,充電150分鐘完成後,觀看系統是否又繼續自主巡邏,如此即為一個完整的循環,整個循環所需大概為4小時。長期測試總共測試10個循環共40小時,除觀察是否有不預期狀況發生外,每個循環後並檢查零件狀況,以便了解系統容易毀損或不穩定的設備加以改進。

此次長期測試中的觀察所作設計修正包括充電判定電壓的調整、輪子容易打滑的修正、以及部分零件容易鬆脫的零件設計改進等。

2. 實際廠房測試

完成上述的測試後,將機器人送到鎧迪威公司廠房,實際進行為期一個禮拜時間長達168小時的可靠度測試,為了解系統在實際廠房反覆運作之下,是否會發生失效、故障等不預期之操作狀況,並且與實際的使用者討論使用之情形與需改進的項目。

在自主行為方面,實際廠房軌道來回長達100公尺,機器人約20分鐘可巡邏一趟,長距離與長時間的行走考驗馬達與傳動機構的穩定性,還有人員與搬運車在軌道兩旁的穿梭,與地面平整與整潔度不高,使機器人實際運行更加辛苦。另外在遠端操控方面,為讓無線網路在此長達72公尺長的廠房仍能順利傳輸遠端指令,也是需注意的。此次實際測試,機器人維持正常運作最時間達53小時,其他因零件損壞、輪子胎面與地面打滑、軌道沾上污滯與被刮壞等問題而中斷。經過與實際使用者討論後與相關的評估,做了下列的改良方法:

(1)   長時間、長距離行走下,機器人馬達與輪鼓固定的止付螺絲容易鬆落,且塑鋼材料做的輪鼓不敷長期行走磨損,因此改用鋁質材料來代替,增加輪鼓的強度、並上螺絲固定膠,防止問題再次發生。同時並修改設計增加底盤結構的強度,如圖3,原先全部的重量皆是靠一對驅動輪與一對輔助輪支撐,在底盤與裝設馬達的結構部分會因底盤受壓力彎曲,因此在兩者之間L型支架,以增加結構強度。最後如圖3所示,因應在現場常需要搬動機器人,底盤兩側增加一對拉把,方便工作人員施力。

3. 底盤結構加強與增加提把

(2)    廠房中間人員行走的軌道不常打掃,地面的灰塵與塑膠原料顆粒容易讓輪胎胎面與地面打滑,甚至因卡住輔助輪,刮傷軌道。因此將軌道改成較耐用的卡典西德材質(電腦割字使用的膠膜),並且在機器人底盤加上地面刮板,如圖4所示,此刮板可刮開會卡住輔助輪轉動的塑膠顆粒與垃圾,另外也請廠方多注意廠房的整潔。

4. 地面刮板於底盤配置圖

(3)    機器人在測試過程中曾意外走出軌道,因此將操作模式修改,如軌道辨識器辨識不到軌道時會自動停止前進,啟動閃光蜂鳴器,讓廠房維修人員前往機器人旁,將機器人關機後,利用機器人底盤的拉把,將機器人抱回軌道後,再重新開啟電源,機器人即可重新沿軌道運行。

(4)    為讓機器人漫遊廠房時的影音訊號與使用者下達指令不會因無線網路訊號太弱中斷,在廠房中多架設一部無線基地台,以增加無線網路訊號穩定性。而對外網路,廠房目前只提供上傳256Kbytes/s的速度,在此速度下IP CAM640×480的畫面相素下只有每秒1張的畫面更新率,如又開啟語音功能,速度又更不理想,廠方希望再次評估後再考慮是否升級網路速度。

(5)    為讓使用者或維修單位能更快掌控機器人的情況,增加當運行到電壓低於8.9V(也就是充電不正常時),會透過PIC SERVER送出e-mail訊息要求廠房的維修人員快前去注意機器人。

(6)    在網路瀏覽介面增加呼叫的功能,當使用者點選此功能時,會啟動機器人的閃光蜂鳴器,蜂鳴器會一直響直到使用者點選停止,而透過閃光蜂鳴器的聲響,吸引廠房中的維修人員前來,此時使用者可以透過語音軟體與處於環境中的人員做雙向的語音對話。

2.         結論與未來研究方向

本研究完成一具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人,遠端使用者可透過網際網路直接操控機器人在遠端遊走,並可感知遠端環境狀況,與遠端作雙向影音溝通,但機器人本身仍具備基礎自主行為能力,在機器人未受操控時,可設定依循指定路線自主行進,並能夠感知、判斷外在環境,做出自主反應以避免本身因為外在環境或是受到不當操作等因素而產生功能失效;環境如有緊急狀況發生時,機器人也能感知、判斷,並透過網路主動傳訊給遠端使用者或維修單位前來處理。

本研究成果並經過不斷實地測試與改良,現已能在環境條件極差的廠房中實際運作。實地測試中不斷有小問題發生,但也讓設計者有機會針對實務應用面發生的問題不斷作設計修正,提高其實用性與可靠性。

未來可以針對不同的場地及應用需求,增加不同的環境感測裝置與應變機制,讓機器人能有更多樣化的自行為主能力。例如目前本研究中機器人行走是依循地板上所佈設的軌道,未來應可以結合室內定位的設備,讓機器人自行感知其在空間中的位置,可以在空間中更有彈性的運行。