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作者:李宗翰、林怡錦、張凱維、徐緯智(2010-12-24);推薦:徐業良(2011-02-10)

2010自動化機械設計學期實作計畫-遠端臨場機器人

1.    背景與目的

此專題為自動化機械設計學期實作計畫,目的為設計製作完成以Wii手把控制之遠端臨場機器人,參加「創意機器人競賽-七龍珠爭奪戰」。機器人之功能必須能將乒乓球拾起以及放入指定高度區域;控制方面須以Wii手把產生的動作指令,藉由藍芽方式被NB上的VB程式接收,以無線網路(WLAN)方式傳輸指令至機器人上的PIC_SERVER 2,再經由Digital通訊透過PIC_PROTO控制馬達及拾球機構,遠端操控機器人進行各項動作。

1.1 競賽場地與環境介紹

機器人七龍珠競賽場地如圖1所示,場地大小為長300公分、寬400公分,並於場地左右方設置龍珠收集器A與龍珠收集器B,分屬於兩個競賽隊伍使用;場地外設有無線基地台,提供機器人無線網路連線使用。

1. 競賽場地圖

1.2 競賽規則與介紹

場地內部散佈三種等級的七龍珠(真七龍珠、白色黑心龍珠與特級龍珠),操控者與機器人必須辨別龍珠的等級。機器人收集到的龍珠必須投入龍珠收集器方能算得分。圖2為龍珠收集器外觀,龍珠收集器有大、小兩個龍珠收集口,大收集口距離地面高度低、洞口較大、難度較低,小收集口距地面高度高、洞口較小、難度較高。進入小收集口後的龍珠會妥善保存,但在大收集口的右側面有一個吐珠開關,機器人可以推動敵方的吐珠開關讓對方小收集口內的龍珠全部吐出。

七龍珠爭奪戰競賽時,為一對的競賽方式,機器人除了可以拾取七龍珠投入龍珠收集器累積分數之外,也需要擔任防守的工作,防止對方將黑心龍珠投入我方的收集器內而造成扣分,或是啟動我方的吐珠開關

2. 龍珠收集器外觀

2.    設計概念

此機器人主要目的為撿拾乒乓球至高處(至少190mm),並且儲存乒乓球於此高處位置,然後放入龍珠收集器之球門中。故設計概念分為兩大部分,第一部分為最重要的拾球機構系統及卸球機構系統,並由此系統開始進行設計及製作測試。第二部分為通訊控制及電源配置,利用Visual Basic(VB)撰寫Wii手把接收及發送網路指令的程式,利用C語言撰寫機器人的判斷控制程式。因不同系統需要不同的電壓,所以也進行了電源的配置,將電壓輸出轉接成12伏特及5伏特,最後再將拾球機構與底盤之整體做空間規劃和配置。設計過程中利用3D繪圖軟體(Solidworks)做為位置配置的輔助工具,成功後經過細部修改便完成此作品,設計流程如圖3

3. 設計流程圖

2.1 拾球機構設計

拾球機構主要的設計概念為使用履帶傳輸,利用履帶與壓克力斜板之間,一面磨擦力大,一面磨擦力小的概念,將球送至高處。另一方面,為了增加拾球區域範圍,本設計使用兩組拾球機構,分別置於機器人前方,兩組呈30°擺放。控制方面,因為此機制只需要使其持續運作,故只設置開關來控制。

2.2 儲球、卸球機構設計

儲球與卸球機構是有相當高之關連性,必須將兩者之相互關係考慮清楚。本設計建構圓形儲存盒,並且於儲存盒中製作旋轉檔版將卸球軌道堵住;當此檔版開始旋轉,檔版離開卸球軌道出口處,球便會順勢滾出軌道;控制方面則利用極限開關配合PIC_SERVER來供電控制,其詳細內容與工作原理將於下節子系統介紹中詳細敘述。

2.3 機器人之整理拾球、卸球流程

根據前述,本機器人之整體操作流程如下:

(1)  拾球機器人利用履帶將乒乓球傳至圓型儲存盒中;

(2)  回到球門所在區域,將機器人之放球軌道置入球門當中;

(3)  啟動卸球機構旋轉檔板

(4)  乒乓球順勢掉入球門中;

(5)  卸球機構旋轉檔板回到原位置並擋住放球軌道

3.    關鍵子系統

本拾球機器人設計將區分為四個主要的關鍵子系統,分別為拾球、儲球、卸球機構子系統、底盤子系統、傳動通訊及控制子系統、電源子系統。在拾球、儲球、卸球機構子系統中,將會介紹我們進行可行性測試而製做的拾球機構原型機構、儲球機構以及卸球機構。在通訊及控制子系統中,將會分別對操作訊號傳輸的Wii手把、接收及判斷指令的VB程式、無線網路傳輸的無線網路基地台及無線網卡、主要的控制晶片PIC_SERVERPIC_PROTO做介紹。電源子系統會說明提供電源的電池及提供不同電壓於各子系統的電源配置方式。

3.1 拾球、儲球、卸球機構子系統

(1)  拾球機構

拾球機構結合市售齒輪組(TAMIYA, 4-speed crank axel gearbox)、履帶組(TAMIYA, Track and wheel set)、泡棉與壓克力材料做為結構基底,並且於履帶上數片細長泡棉,不僅可以增強其摩擦力,更可使履帶增加可塑性。圖4、圖5分別為拾球機構配置圖與拾球機構之拾球流程圖,乒乓球進入靠近地面之履帶時,會被履帶順勢傳輸至高處而掉進儲存盒中。履帶離地為38mm,成一微頃斜角度,履帶與壓克力斜板之距離定為35mm,此尺寸小於乒乓球之球徑,可利用泡棉之可塑性將乒乓球連夾帶傳至儲存盒中。

4. 拾球機構配置圖

 

舌

5. 拾球機構之工作原理

(2)  儲球、卸球機構

6為儲球、卸球機構配置圖,本機構利用市售齒輪組(TAMIYA, 3-speed crank axel gearbox)做為旋轉檔板之傳動,並建立一個與全向輪移動平台尺寸相同的儲存盒(直徑250mm)。圖7、圖8為儲球、放球機構之流程圖及其電路流程,當球藉由拾球機構傳至儲存盒後,啟動旋轉檔板PIC_SERVER將會持續給電4秒,此時旋轉檔板離開常開極限開關,使得上半部電路形成通路,因此4秒過後會只由電池盒給電,當旋轉檔板回到初始位置後,將會再次壓到極限開關,使其成斷路。

6. 儲球、卸球機構配置圖

7. 儲球、卸球機構之工作原理

8. 儲球、卸球機構之電路流程

3.2 傳動通訊及控制子系統

拾球機器人運用Wii手把進行遙控操作,Wii手把可感應手勢動作及按鍵指令並且可經由藍芽傳輸,再由具有藍芽傳輸功能之筆記型電腦內的操作程式(以VB撰寫)接收並分析操作指令,再透過無線網路傳輸指令至拾球機器人上的無線網路卡,經由內部實體網路傳輸至PIC_SERVER控制拾球機構及卸球裝置,並將馬達控制訊號以digital的通訊協定傳輸至PIC_PROTO控制全向輪底盤移動,完成拾球機器人的運作,架構圖如圖9所示。本節針對通訊系統的Wii手把、VB程式及控制系統的PIC_SERVERPIC_PROTO分別作介紹。

9. 通訊架構圖

(1)  Wii控制器

本拾球機器人使用任天堂公司的Wii遊戲手把作為操作遙控器(圖10),其造型如電視遙控器,該控制器除了具有功能按鍵外,還具有手勢動作感應功能,可偵測三維空間中的移動、轉動及傾斜角度,操作者可利用功能按鍵以及不同手勢等方式來遙控拾球機,將其操作訊號透過藍芽傳輸至筆記型電腦。Wii手把有與具藍芽通訊功能(內建或具有USB藍芽傳輸器)的電腦連結配對後,電腦內的VB程式及可接收Wii手把的藍芽訊號。

描述: C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\Material\pry-wiimote.gif

10. Wii控制器

(2)  操作控制程式(Visual Basic)

在電腦上的操作控制程式是使用Microsoft Visual Basic 2005(VB)軟體,具有藍芽接收、網路通訊、訊號處理等功能,撰寫好之程式接收Wii手把所發送的藍芽訊號,再進行分析判斷後解析出Wii手把的動作指令,並將該指令透過無線網路傳輸給拾球機器人的PIC_SERVER,以控制拾球機器人動作。

在操作控制程式中以藍芽接收資訊的程式,是利用美國軟體工程師Brian Peek等人所開發的控制介面為基礎做改寫,其可擷取Wii手把的資訊,並可進行訊號判斷。我們所撰寫的程式主要是由Wii手把傾斜方向並配合按鍵來控制拾球車的移動與卸球機制,本程式的操作控制介面如圖11所示,設定的操作方式如表1,其中Wii手把的按鍵位置如圖12

interface

11. 控制介面

1. 拾球機器人之操作方法

動作

手勢操作

網路指令

前進

按住A鍵並將Wii把手前傾30

f

後退

按住A鍵並將Wii手把後傾30

b

右旋轉

按住B鍵並將Wii手把右傾30

r

左旋轉

按住B鍵並將Wii手把左傾30

l

右平移

Wii手把右傾30

t

左平移

Wii手把左傾30

j

停止

按住數字1

s

放球

按住數字2

e

描述: D:\整理的資料夾\課業\3423\街頭霸王\PIC\511.png

12. Wii手把按鍵位置

(3)  PIC_SERVER

PIC_SERVER是以PIC16F單晶片為主要控制晶片,再與網路控制晶片(RTL8019)與可程式唯讀記憶體(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM)進行結合使其為具有網路伺服器功能的微控制器,可接收網路指令控制卸球裝置並可透過digital通訊將指令傳輸與PIC_PROTO。將PIC_SERVERRS-232連結電腦並接上電源,即可利用PIC-C Compiler軟體將編譯好的程式透過ICP(In-Chip-Programmer) 工具軟體燒錄至PIC_SERVER。圖13顯示於PIC_SERVER上所用到之腳位。

13. PIC_SERVER

(4)  PIC_PROTO

PIC_PROTOPIC16F452單晶片為主之控制器,並有兩個馬達控制IC,共可控制四組馬達,可經由I2C接收由PIC_SERVER傳輸的指令,控制全向輪底盤。將PIC_PROTORS-232連結電腦並接上電源,即可利用PIC-C Compiler軟體將編譯好的程式透過ICP (In-Chip-Programmer)工具軟體燒錄至PIC_PROTO。圖14顯示於PIC_PROTO上所用到之腳位,表2PIC_SERVERPIC_PROTO之網路指令與數位訊號。

14. PIC_PROTO

2. PIC_SERVERPIC_PROTO 指令表

PIC_SERVER 指令表

 

: 表輸出5V,

 

: 表輸出0V

動作

前進

後退

右旋轉

左旋轉

右平移

左平移

卸球

停止

網路指令

f

b

r

l

T

j

s

e

A1

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

 

 

 

 

 

 

 

 

A3

 

 

 

 

 

 

 

 

PIC_PROTO 對應指令表 o:停止, +:正轉, -:反轉

馬達前

o

o

-

+

-

+

o

o

馬達右後

+

-

-

+

+

-

o

o

馬達左後

-

+

-

+

+

-

o

o

卸球裝置

 

 

 

 

 

 

+

 

3.3底盤子系統

拾球機器人利用全向輪移動平台做為移動載具如圖15所示,全向輪行走平台由三輪驅動,其單一全向輪可朝移動方向滾動、水平分向滑動,三輪以夾角120度配置於全向輪行走平台底盤上,經由三輪速度的調配,可自由移動及旋轉。在全向輪移動平台之中,將馬達速度設定如表3,其表格中各馬達的數字為控制全向輪移動的PIC_PROTO中程式所設定的速度,其範圍為-15~15,正負號為馬達正反轉,數字表示馬達旋轉的速度,0表示停止。例如15表示全速正轉,-5表示以三分之一的速度反轉,馬達編號及正轉方向如圖16,圖中箭頭方向表示正轉方向。

15. 全向輪移動平台

3. 馬達速度設定表

動作

馬達(前)

馬達(右後)

馬達(左後)

前進

0

-15

15

後退

0

15

-15

右旋轉

15

15

15

左旋轉

-15

-15

-15

右平移

15

-8

-8

左平移

-15

8

8

停止

0

0

0

16. 馬達編排及正轉方向

3.4 電源子系統

(1)  電池

在電源部分,使用台灣湯淺出產的12伏特鉛鈣電池如圖17所示,其電容量產品說明為5Ah,最大放電電流為60A5秒)。

DSC00515

17. 12伏特鉛鈣電池

(2)  電源轉換與配置

因機器人需要12V(PIC_PROTOPIC_SERVER)5V(無線網卡)直流電源,因此需要調降電壓,為求穩定的輸出,調節電壓部分使用穩壓電路構成,穩壓電路由一個7805穩壓IC調降電壓,並加上電容使電源穩定,其配置方式如圖18,其中7805穩壓IC長時間使用會產生較高的熱能,因此加裝散熱片及風扇使其有效散熱。

18. 無線網卡之穩壓電路

4.    系統整合與測試

本章節將介紹與各子系統同時思考並進行的空間規劃與介面整合,以及說明本拾球機的整體機構設計與測試。

4.1 空間規劃及介面整合

在各子系統製作的同時進行空間規劃的思考,並利用3D繪圖軟體Solidworks繪製整體架構圖,使我們的思考有實際概念及雛型,並可測試其可行性,當各子系統完成後便設計其配放位置,經過不斷的修改測試後完成了設計,並購足材料進行組裝及測試,最終設計的Solidworks模擬圖如圖19

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19. 最終設計模擬圖

(1)  整體機構設計

整體機構主要以壓克力板為主要材料,將繪圖軟體設計的零件及機構利用元智大學機械工廠所提供的雷射切割CNC設備來製作,其壓克力不適合或無法製做的零件則需購買或是尋找適合的材料來製造。

(2)  整體拾球機器人之架構

拾球機器人之整體架構由以下16個元件組成,Wii手把、筆記型電腦、無線網路基地台、無線網卡、PIC_SERVERPIC_PROTO、全向輪馬達、全向輪、風扇、馬達、齒輪組、拾球機構卸球機構、電池盒、鉛鈣電池。圖20為機器人之概要圖,分別標示出每一個元件或子系統的輸出、輸入以及元件之間的交互作用的關係。並且利用二維圖形來建立此拾球機器人之大略幾何佈置圖(圖21)。

20. 拾球機器人之概要圖

21. 拾球機器人之大略幾何佈置圖

4.2 組裝流程及測試

將各子系統設計並製作完成,並將各子系統逐一做測試,完成後便依照所繪的設計圖進行組裝,在組裝的過程中,遇到無法配置組裝的情況發生時,便思考如何可解決問題,並對設計圖做修改。在整體機構及各子系統組裝完成後,即進行整體功能測試,遇問題則再做修改,其中我們在此階段多次修正拾球機構的檔板位置以及更換更快速的拾球機構的馬達,使其可以順利的拾球。在整體功能測試完成後,便做細部修正及調整,如移動及旋轉速度等調整。其組裝流程如圖22,成品如圖23

22. 組裝流程如圖

23. 拾球機器人之完成圖

5.    結語

拾球機器人製作完成並經過測試之後,便拍攝展示影片放置於Youtube,並於元智大學創意參加七龍珠爭奪戰機器人競賽,順利拿下比賽第二名以及總評第一名。雖然設計製作過程中充滿著各式各樣的挑戰,但是在大家的努力之下都能一一克服,並且做出令自己滿意的設計,雖然辛苦但是玩得很開心。