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ອଠטၱۏវᖸ̝፟ୠ͘ᓖࡁᄦ
王惠玲
1,*許文昌
1張士廷
1李健寧
1黃一修
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本研究開發搖桿控制暨物體追蹤機械手臂，主要 利用 Visual Studio C#撰寫人機介面，透過 RS232 資 料傳輸，由 Arduino UNO WiFi 模組將資料傳遞至機 械手臂。物體追蹤功能是由網路攝影機擷取影像，藉 以進行辨識、偵測、物體追蹤等功能，使操作者能夠 在人機介面上監測及判別各項數據，並掌握機械手臂 資訊，同時機器手臂對於物體的移動情形與位置進行 相對應動作。搖桿功能採用 Xbox360 無線接收器將 Xbox360 無線搖桿數據傳至人機介面，使機械手臂可 進行手動操作，另外搖桿控制具備學習功能，可使機 械手臂重複上一個動作。本研究之成果為(1)完成 Arduino 連續動作測試程式。(2)完成 C#人機介面流程 圖。(3)使用 C# WPF 撰寫電腦人機介面。(4)完成機 械手臂整體架構。(5)完成 Xbox360 無線搖桿功能。 (6)完成 Webcam C310 網路攝影機之辨識、偵測及回 傳功能。(7)完成人機介面設計。(8)統整人機介面各 項參數與控制模式。(9)整合機械手臂硬體架構。(10) 整合人機介面與硬體設備。ᙯᔣෟ：Visual Studio C#、Xbox360、物體追蹤
ಥă݈֏
現今機械手臂（Robotic Arm）廣泛應用在自動 化產線、醫療輔助、汽車工業等；節省人力及取代危 險性工作為機械手臂的功能，為將機械手臂貼近操作 者習慣，本研究將專業能力應用在感測器及機械手臂 上，藉使機械手臂能輔助操作者以完成各項工作。本 研究開發 Kinect 智能機械手臂，使機械手臂透過手勢 或聲音便可操控機械手臂，以助於取代部分危險手動 操作之作業，同時也增加搖桿輔助操控，除了提升工 作效率及品質外，更能有效調整機械手臂細部動作。 整體功能將機械手臂更貼近操作者本身，以提供高效 率及取代部分危險性工作。未來可廣泛應用於醫療輔 助、自動化產線等用途，達到良好的智慧化輔助工具。෮ăրߛၹ
本研究之硬體架構如圖 1 所示，由電腦以 USB 傳輸方式連結 Webcam C310 網路攝影機及 Xbox360 無線接收器；Webcam C310 網路攝影機則將影像由 USB 傳輸至電腦人機介面，藉由人機介面系統進行 影像分析並辨識物體位置；最後將指令由電腦經 Visual Studio C#人機介面以 RS232 串列傳輸將資料 傳至 Arduino UNO WiFi 模組，最後以控制訊號使機 械手臂執行抓取、旋轉以及移動等動作指令。 ဦ 1 ർវߛၹဦ 1 亞東技術學院電機工程系 * 通訊作者：王惠玲 E-mail：fe008@mail.oit.edu.tw主要硬體選用 Robotic Arm K-100 機器手臂、AI 馬達 A1-16、Arduino UNO WiFi 模組、Webcam C310 網路攝影機、Xbox360 無線接收器、Xbox360 無線搖 桿，規格介紹如下： ˘ăRobotic Arm K-100 ፟ጡ͘ᓖ[1] 圖 2 為 Robotic Arm K-100 機器手臂之外觀，規 格如表 1 所示。 ဦ 2 Robotic Arm K-100 ፟ጡ͘ᓖ ܑ 1 Robotic Arm K-100 ఢॾ 出廠公司 邁克兄弟科技有限公司 馬達 AI Servo A1-16 *6 體積 W180 x D240 x L350 mm 重量 755g 操作電壓 12V 操作電流 7.5A ˟ăAI ྿ A1-16[2] 圖 3 為 AI 馬達 A1-16 之外觀，規格如表 2 所示。 ဦ 3 AI ྿ A1-16 ܑ 2 AI ྿ A1-16 ఢॾ 出廠公司 邁克兄弟科技有限公司 扭力 25kg-cm (max.) 體積 W50 x D32 x L40 mm 重量 60±2 g 操作角度 0∘~ 330∘ 操作溫度 0℃~40℃ 協定 TTL Level UART (8-N1)
ˬăArduino UNO WiFi ሀ[3]
圖 4 為 Arduino UNO WiFi 模組之外觀，規格如 表 3 所示。
ဦ 4 Arduino UNO WiFi ሀ
ܑ 3 Arduino UNO WiFi ሀఢॾ
控制器核心 ATmega328 控制電壓 5 V 建議輸入電壓 7~12 V 最大輸入電壓 6~20 V 數位 I/O Pins 20 類比輸入 Pins 6 每個 I/O 腳位之額定電流 40 mA 3.3V 腳位最大電流 1 A 快閃記憶體 32 KB SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Clock Speed Hz αăWebcam C310 შྮᛷᇆ፟[4] 圖 5 為 Webcam C310 網路攝影機之外觀，規格 如表 4 所示。
ဦ 5 Webcam C310 შྮᛷᇆ፟
ܑ 4 Webcam C310 შྮᛷᇆ፟ఢॾ
出廠公司 羅技 Logitech 解析度 1280x720 像素
處理器 2.4 GHz Intel® Core™2 Duo
記憶體 2GB RAM 上傳速度 1Mbps 主要項目 1.內建降低雜音之麥克風 2.臉部追蹤 3.動作偵測 ̣ăXbox360 ቢତќጡ[5] 圖 6 為 Xbox360 無線接收器之外觀，規格如表 5 所示。 ဦ 6 Xbox360 ቢତќጡ ܑ 5 Xbox360 ቢତќጡఢॾ 出廠公司 微軟 Microsoft 接收範圍 30 英呎 連線數量 四台 Xbox360 無線搖桿 連接埠長度 6 英尺 主要功能 接收 Xbox360 搖桿數據 ̱ăXbox360 ቢອ[6] 圖 7 為 Xbox360 無線搖桿之外觀，規格如表 6 所示。 ဦ 7 Xbox360 ቢອ ܑ 6 Xbox360 ቢອఢॾ 出廠公司 微軟 Microsoft 長 x 寬 107x152 mm 適用範圍 Microsoft 平台 主要項目 1. 1.人體工學設計握把 2. 2.搖桿震動回饋 3. 3.彈性連接線 本系統的軟體採用 C 語言及 Visual Studio C#開 發而成，以 C 語言撰寫 Arduino 模組，而 Visual Studio C#亦分為人機介面及操作方式。
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本系統將上述之硬體和軟體結合，進行實體製 作。 ˘ăVisual Studio C#ˠ̬፟ࢬ 人機介面主要顯示當前機械手臂狀態及連接數 據，如 COM 點通道、取樣面積及搖桿數據等，其中 分為主畫面、搖桿控制及影像辨識，並以選單方式選 擇各項操作模式。操作者在控制機械手臂時，人機介 面將立即回傳各項數據與當前狀態，顯示形式包含燈 號、模擬搖桿圖、實際畫面及各馬達數值等，使操作 者能依據當前機械手臂狀態進行整體掌握。 本研究之人機介面流程圖如圖 8 所示，流程圖開 始後先顯示人機介面主畫面，接著選擇操作模式，選 擇後則進入該模式介面並顯示該模式初始值設定，設定初始值即判斷是否成功，若連結成功將進行指定動 作；若連結失敗則回歸該模式介面以便重新設定初始 值動作成功後將顯示數據。若要停止程式則回至人機 介面主畫面，若仍要繼續執行程式則回至該模式畫面 以便執行同樣模式程式，回至主畫面後執行工作將停 止。 ဦ 8 ˠ̬፟ࢬ߹ဦ ˟ăVisual Studio C#ፆү͞ё 本研究採搖桿控制及影像辨識，因此電腦加入 Xbox360 無線搖桿和 Webcam C310 網路攝影機，並 依照操作者本身需求各別撰寫 Visual Studio C#。搖桿 控制係由 Xbox360 無線搖桿來操作機械手臂，主要 用 以 測 試 機 械 手 臂 初 步 狀 況 ； 物 體 追 蹤 [7] 則 由 Webcam C310 網路攝影機接受訊號至 Visual Studio C#，再由 Visual Studio C#依照取樣面積大小及對應 左右邊線值作不同動作，使機械手臂達到追蹤效果。 ˬăArduino 在連結機械手臂與電腦間，以 Arduino 作為中間 媒介，以便電腦藉由 RS232 串列傳輸將馬達控制封 包傳至機械手臂，使機械手臂動作。主程式流程如圖 9 所示，首先程式開始後，先判斷是否連結電腦及機 械手臂兩端程式，成功連結後便開始執行程式，再讀 取傳入值，並檢查是否接收馬達控制封包，若成功接 收則讀取封包指令後轉換馬達控制指令位元，再傳輸 指令至機械手臂執行動作，最後回傳數值至電腦。 ဦ 9 Arduino ё߹ဦ αăອ߹ Xbox360 無線搖桿由數個按鈕及搖桿組成，包括 Trigger 按鈕、D-pad 按鈕及十字鍵按鈕等按鈕，以及 主要兩個拇指搖桿，本流程圖以拇指搖桿控制為主要 項目。經由程式主畫面選擇搖桿模式後，需先開啟 Xbox360 無 線 搖 桿 並 勾 選 開 啟 搖 桿 執 行 緒 ， 使 Xbox360 無線接收器接收搖桿訊號，接著藉由 C#程 式將搖桿數值由直角坐標轉為極座標，並將此數值做 正規化，以便簡化搖桿訊號並使資料一致，若操作者 將拇指搖桿移動使數值超過 0.9 時，便會將該角度進 行數值轉換為馬達封包，並發送至 A1-16 馬達，使機 械手臂動作，流程圖如圖 10 所示。 經由程式主畫面選擇搖桿模式後，需先開啟 Xbox360 無線搖桿並勾選開啟搖桿執行緒，接著點選 “記錄學習模式”並操作機械手臂，使 C#程式將馬 達封包儲存至外部資料夾，直到操作者取消點選“記 錄學習模式”。若操作者需要執行學習模式，即點選 “啟動學習模式”按鈕，C#程式即會由外部資料夾將
馬達封包以每 0.02 秒發送一次的速度發送至機械手 臂，使機械手臂即會進行學習模式，流程圖如圖 11 所示。 ဦ 10 ອଠט߹ဦ ဦ 11 ອጯ௫ሀё߹ဦ ̣ăۏវᖸ[7] 首先開啟影像並執行預設動作，再由滑鼠框選物 體，系統則會計算框選面積(單位:pixel)及中心點位 置，再分頭進行判斷物體之左右位移和前後距離位 置，並針對物體位置使機械手臂做相對影像對焦動 作，使其達到追蹤效果，流程圖如圖 12 所示。 ဦ 12 ۏវᖸ߹ဦ
དྷăјڍᚥ
本研究第一階段之成果為完成驅動馬達電路 圖、驅動馬達電路板及撰寫初步 Visual Studio C#人機 介面。其中驅動馬達電路圖如圖 13 所示，以在線電 子設計工具 EasyEDA 完成驅動馬達電路圖，驅動馬 達電路板如圖 14 所示，以一顆 L7805CV 穩壓 IC、 三顆 Ta7279p 馬達驅動 IC、Arduino 資料輸出腳位與 直流馬達接腳端完成電路板，使 Ta7279p 馬達驅動 IC 將馬達控制封包傳至機械手臂。ဦ 13 ᜭજ྿ྮဦ ဦ 14 ᜭજ྿ྮڕ 第二階段之成果包含機械手臂改裝、完成 Visual Studio C# 人機介面以及電腦控制介面流程圖，其成 果如下： ˘ă፟ୠ͘ᓖԼ྅ 機械手臂底板改裝如圖 15，底版材質採透明壓 克力板，中間以銅柱支撐整體機械手臂，中間置放 Arduino UNO WiFi 模組與 Xbox360 無線接收器。機 械手臂頂部改裝如圖 16，以 3D 列印製作硬體配件， 組合 Webcam C310 網路攝影機與機械手臂。整體機 械手臂改裝如圖 17，依照各項軟體需求，機械手臂 結合各項硬體，包括 Arduino UNO WiFi 模組、
Xbox360 無線接收器及 Webcam C310 網路攝影機。
ဦ 15 ፟ୠ͘ᓖغڕԼ྅ဦ
ဦ 16 ፟ୠ͘ᓖొԼ྅ဦ
˟ăVisual Studio C#ˠ̬፟ࢬ Ğ˘ğ൪ࢬ 人機介面主畫面(點擊前)如圖 18 所示，採用 Material Design-Themes 組件，以圖示區塊顯示各項 資訊，如馬達硬體圖、機械手臂硬體圖及指導老師 等，操作者可藉由左上方選單選擇控制模式。以滑鼠 點擊各圖示區塊後則以翻面方式顯示詳細說明，其人 機介面主畫面如圖 19 所示，翻面後顯示各區塊細部 功能及介紹，使初次使用者瞭解人機介面主要功能。 圖 18 人機介面主畫面(點擊前) ဦ 19 ˠ̬፟ࢬ൪ࢬĞᕇᑝޢğ Ğ˟ğອፆү̬ࢬ 搖桿操作介面以三部分為主要架構，如圖 20 所 示，由右至左為搖桿模擬圖、機械手臂對應圖、狀態 顯示圖。 搖桿模擬圖使搖桿狀態顯示至人機介面，並將拇 指搖桿數值以兩個笛卡爾座標顯示至模擬圖，按鈕及 觸發鈕則以寸動方式顯示至模擬圖。中間部分以顏色 導線區分搖桿與手臂馬達各部位關係，使操作者清楚 對應兩者操作順序。最左邊部分以燈號及數值顯示馬 達各項當前狀態與數據，使操作者清楚掌握搖桿當前 狀態。 ဦ 20 ອፆү̬ࢬ 搖桿學習按鈕分為記錄程式及啟動程式，點擊記 錄學習按鈕後，搖桿封包以每 0.05 秒記錄一筆封包， 並儲存於腳本程式庫，直到點選紀錄停止，最後點擊 啟動學習程式後，機械手臂將以同等速率動作。學習 程式使機械手臂達到動作一致，使其應用於制式化產 線上。 Ğˬğອ၆ᑕ፟ୠ͘ᓖΑਕ 圖 21 為 Xbox360 搖桿對應機械手臂功能，依六 顆手臂馬達控制作為整體搖桿架構，同時依照機械手 臂部位對應按鈕種類，使操作者擁有更高的操作彈 性，亦精準地藉由搖桿夾取物品。其中 4 個 D-pad 按 鈕提供操作者自訂腳本（右鍵預設復歸動作），以利 完成手臂流程標準化。 ဦ 21 Xbox360 ອ၆ᑕ፟ୠ͘ᓖΑਕ
Ğαğᇆညፆү̬ࢬ 圖 22 為影像操作介面所示，利用 Webcam C310 網路攝影機所拍攝的影像，再藉由 Visual Studio C# 掛載 EmguCV 圖像處理庫[8]，進行影像的繪製及編 寫，以達到影像分割、物體識別、運動追蹤，並隨著 影像參數的不同，使手臂動作，達成追蹤的目的。介 面右半面為影像追蹤介面，影像追蹤畫面以縱向三等 分將畫面切割，並以選取物體之中心點作為判別物體 是否跨越左右邊線值的依據，使機械手臂左右移動； 另外於影像中選取物體之面積大小的變動量，判別物 體與手臂的距離，使手臂做內縮與前傾的動作。介面 左半面為馬達當前數據及取樣面積數據，使操作者清 楚掌握機械手臂當前狀態，其中取樣面積以每 20 筆 資料作平均值運算。操作順序由一開始的滑鼠選擇追 蹤物體，將物體框選後即進行取樣動作，並於面積中 心點作為物體追蹤依據，當中心點接觸任縱向分割線 其中一條，機械手臂即進行左右追蹤動作。其取樣面 積變動之數值越過預定的正常距離範圍時，機械手臂 將藉由面積變動量的大小進行前後追蹤動作。 ဦ 22 ۏវᖸ̬ࢬ
