安全指標的設計

由於傳統的 Potential field 在路徑規劃作法中，當環境確定後，障礙物與目 標物的磁場會立即確定，環境中的各個位置不會因為機械手臂的移動而產生改 變，換句話說，當目標物與障礙物確認後，手臂的斥力與引力會根據移動到區域 內周圍磁場而定，機械手臂的移動路徑也隨之確定。如前所述此種區域規劃可能 會產生 local minima 等問題，為了解決此問題，我們希望能針對影像中所能看到 的環境，進行全域規劃，本論文建立了兩個安全指標，此安全指標用於 Potential field 中斥力的部分，使 X、Y、Z 三個方向產生不同大小的斥力，來調整手臂路 徑。這些指數是根據環境的狀況與障礙物在空間中的分布，將環境劃分成數個區 域，並將各個區域都定義出他們安全程度，使機械手臂可以根據這些區域所獲得 的安全值來進行規劃。傳統上 Potential field 只針對手臂與障礙物之間關係產生 斥力，而我們建立安全指標表示障礙物在空間分佈情況，進行手臂全域的路徑規 劃，能避免因為區域規劃所產生 local minima 的問題。

我們想在機械手臂的工作區域與攝影機所能觀察到範圍內，將環境劃分成安 全、不確定與危險三種區域，使機械手臂能經由安全的區域到達目標點。首先，

我們將目標點設為原點，建立 XY、YZ 和 XZ 平面，分別由機械手臂工作範圍 最上緣、最右邊緣與最靠近身體的邊界將障礙物投影至三個平面。其次，分析障 礙物在此三個平面上分佈的位置，如圖 4.4(b)，我們先找出各障礙物投影後的邊 界，由上至下記錄邊緣的各數，將所遇到奇數條的邊界記錄為正緣，偶數條邊緣 記錄為負緣，記錄下每個障礙物所對應的一組正緣與負緣，相同的，由左至右，

記錄下障礙物左右的正緣與負緣，最後找出其交集的地方為危險的區域，而在這 些區域外的為安全的區域，如此，將各個區塊分成白色斜線區域為安全、深色為

350 400 450 500 550 600 650 700 向的安全區域的大小做比較，我們將此安全指數應用於我們所建立的 Potential field 上(詳見下節說明)，判斷 Potential field 所產生之斥力方向朝向與此六個方向 的安全指數相乘，(4.1)式中P 為手部的位置，_a P 為障礙物的位置，_o P 為區域的_r 位置，當判斷式大於零表示斥力方向朝向安全區域，安全指數較大，相反的，斥 力指向危險區域時，則會產生較小的斥力，如此一來，可以將手臂引導致較安全 區域，避免碰撞的發生。另外，除了偵測到危險的區域，還有一些區域是深度攝

Y

T r ( )   l R (

_l²

 r

_i²

) 

(4.2) 如圖 4.5，我們以機械手臂下手臂的長度為圓柱的直徑，在手臂與目標物間 建立一個同心圓柱，藉由判斷同心圓柱與障礙物的交集來計算各個障礙物的權 重，與最內側同心圓柱有交集的，表示此障礙物對於手臂移動至目標物的過程中 影響最大，且會發生碰撞，而沒有與這些同心橢圓柱接觸到的障礙物，表示在手 臂執行任務時，不會影響手臂的移動。

在文檔中 擬人機械手臂基於影像之適應性抓取設計 (頁 51-54)