第一章 緒論
1.1 研究動機
機器人自 1970 年開始，已大量運用於工業製造生產上，例如：汽車、機械與半導 體等產業。經過數十年的科技發展，智慧型機器人的感測、認知、控制與通訊技術愈趨 成熟，能夠與人類互動的智慧型機器人將不再是一個夢想。
機器人運動控制的設計與分析部分，目前已達到成熟的階段，結合機器視覺後，更 可做到與人類之間的互動，例如使用機器人從事各式球類運動。近幾年來有關於擊球機 器人的相關研究有逐漸增多的趨勢，各大機器人展中也都可以看到擊球機器人的身影。
在擊球機器人領域中，包含各式的球類運動，例如：桌球、網球、高爾夫球等，但 大部分研究目的皆為擊球，著重的目標為擊球率的提升，對於擊球後球的飛行軌跡並未 多加著墨。而我們可以看到各項的球類運動中都會要求選手練習控制球體擊出後的軌跡，
技巧純熟的職業棒球選手亦能控制打擊後球的落點，於是我們希望讓擊球機器人也可以 具備擊中指定目標點的能力。
首先就技術層面而言，要擊中飛行中的球體，需先使用影像追蹤快速運動的球體，
再利用球體飛行模型預測球體接下來的飛行軌跡，而擊球至指定目標，則須探討擊球瞬 間球與拍子或球棒碰撞之間的關係和考慮擊球前後球體的飛行軌跡，並且找出一個可以 滿足各種關係的擊球位置，而球與機械手臂必須在預計的擊球時間點，同時抵達預計的 擊球位置，其中機械手臂通過擊球位置時的速度與姿態亦須非常精準地控制。
本研究即在開發與整合這些相關技術，具有學術研究的價值。擊球機器人亦有生活 當中的應用性，例如可在稱為國球的棒球運動上，應用於棒球練習場提供運動選手訓練 使用，或在親子活動中增加娛樂效果，亦具備商業價值。
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1.2 研究目的
本研究目的在於使用自行設計的四軸機械手臂，將投球者投出的球，利用機械手臂 將球擊到所設定的位置，達成擊球至指定位置的目的。
本研究主要分為四個部份，第一部份為視覺系統，使用雙眼攝影機來追蹤快速飛行 的球體，將輸入影像經過影像處理，可得知球體在影像中的位置，並使用立體視覺將二 維影像中的位置轉換成三維空間位置，達成追蹤飛行中的球體的目的，並且計算出球體 飛行的軌跡。
第二部份為預測球體飛行軌跡，由於在擊球的任務中，如何準確的預測球體飛行軌 跡是非常重要的，於是我們使用了更加精確的球體飛行模型來使得預測的飛行軌跡更加 接近真實球體的飛行。
第三部份為擊球理論，因為本研究需要擊球至指定的目標，因此要建立碰撞模型，
並推導出拍子速度與碰撞前後球速之間的關係，並且還須考慮擊球前後的球體飛行軌跡，
根據這些關係找出擊球點以及擊球時間點，使擊球後球的飛行軌跡通過所設定的目標點，
達成擊球至指定位置的目的。
第四部份為機械手臂系統，由於擊球的時間相當短暫，為了使手臂能即時到達擊球 點，必須設計可高速轉動的四軸機械手臂機構，並且估測出手臂動態模型參數，利用控 制器來控制四軸機械手臂，使手臂能精準的跟隨所規劃的軌跡位置以及速度，讓機械手 臂能即時到達擊球點。
1.3 論文貢獻
本論文為一延續性之研究，是由[1]延續下來，在之前的系統中存在某些因素會影 響擊中目標的成功率，第一個因素為影像擷取速度太慢，第二個因素為球體飛行模型的 不準確，第三個因素為擊球瞬間拍子會產生震盪及旋轉，無法提供足夠的正向力完成擊 球，根據以上三點本論文提出相對應的修正方法。
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第一個因素為影像擷取相機，在之前的系統中使用的是 48fps(frame per second) 的相機，而球體飛行時間約 0.5 秒，約只能擷取到 30 個球體的位置，對於球體飛行預 測來說這樣的資訊非常不足，於是在本論文中改用 200fps 的高速相機做影像擷取，可 使得每次投球都能抓到約 100 個球體位置，不僅會讓球體飛行預測得更準確，也會讓機 械手臂有更多的反應時間可以擊球。
第二個因素為球體飛行模型，先前研究僅考慮重力影響，故球體飛行軌跡為一拋物 線，但其結果與實驗數據有頗大誤差。本論文多考慮了空氣阻力對球體的影響，使球體 飛行軌跡之預測更準確。而將飛行模型更改之後，原先的求解擊球點方法就變得不可行，
因為考慮空氣阻力的飛行模型只能用疊代法算出預測的軌跡，而此模型又是複雜的非線 性方程式，無法求得軌跡的解析解。故在此將求解擊球點問題轉化為一最佳化問題之求 解，並完整的考慮所有相關的限制條件，包含碰撞模型以及擊球前後的飛行軌跡關係，
再選定適合的成本函數，使用 Sequential Quadratic Programming (SQP)法求解最佳化 問題，即可找到符合所有關係式的最佳擊球點，由於我們希望最佳化方法可以更容易求 解，也就是需要更多的自由度，於是將在先前系統之中固定的參數「打擊後的飛行時間
t 」當成最佳化變數之一以 SQP 法求解，亦即本論文之方法毋須事先指定 tf f，使擊球後 的飛行軌跡有更多的選擇，因此可從中選取使成本函數最小化之軌跡。
第三個因素為拍子，由於在先前的系統，考慮到馬達的負荷故選用較小型的步進馬 達做為控制拍子的馬達，但會造成「擊球瞬間拍子會產生震盪及旋轉」的問題，故在本 論文中改選用「激磁最大靜止轉矩」數值高達 3N m 的步進馬達，經過實驗測試可以有 效的提供足夠的正向力而不會因為球的撞擊而產生旋轉及劇烈震盪。
本論文之貢獻在於改善這三個會影響擊球成功率的因素，並一一克服改善這些因素 中所遇到的困難，在最後能將擊球至目標率成功提升至 13.75%。
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