行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
遊戲競技型機器人之智能運動控制系統研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2213-E-011-062-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系
計畫主持人： 吳忠霖
計畫參與人員： 黃俊諴、余政綱
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 10 月 30 日
中英文摘要
本計劃「遊戲競技型機器人之智能運動控制系統研究」主要是配合新創遊戲系統之基礎 研究。該新創遊戲系統是將虛擬數位遊戲與實體機器人互相結合之複合實境技術的研究應 用。在九十二年底行政院NICI，推動「M 台灣計畫」願景中的「行動生活─M-娛樂」，強 調建立多處娛樂服務示範點，以及在94年底資訊月「數位生活、創意無限─休閒生活館」
中所強調數位影音娛樂與生活設施的整合，都期望生活環境設施能融入娛樂及影音，使生 活充滿娛樂，娛樂融入生活。
在本研究計劃中已規劃出各種步行動作軌跡及復原性動作以達成遊戲競技機器人之基 本需求。同時透過各式感測器及搭載自律型控制器進行適應性步行動作測試。最後將透過 3D 圖控系統將各個子系統介面等整合在一起，並實行本計劃中所謂的智能運動控制系統 之多樣化步行與動作運動控制。
本研究計劃，已可達成下列相關技術：
1. 智能運動控制方面。
2. 感測系統方面。
3. 控制器與通訊系統方面。
4. 3D 圖控系統方面。
關鍵字：遊戲競技型機器人、智能運動控制、自律型控制器、3D 圖控系統。
The “Intelligent Motion Control System For Competitive Entertainment Robot＂project is mainly a fundamental research for a newly created game system. This newly created game system combine virtual game technology and robotics technology to create a mixed reality system. So this research is indeed necessary for competitive entertainment robot and new kind of game system.
In this project, various kinds of walking path’s planning and rehabilitated motion will be carried out in order to offer sufficient actions for competitive entertainment robot. The self-controlled and sensor feed backed controlled robot investigated its adaptive capability to environment. 3D graphics and controller system will be established, it will include the man-machine interface of kinematics and inverse kinematics, motor performance setting, sensor capture, teaching and playback, motion value editor, and Bluetooth’s and WiFi’s communication.
The intelligent motion control system in this research means the robot’s controller can support capabilities of multi walking patterns and multi motion modes.
This project research already accomplished the following technology:
1. Intelligent Motion Control System . 2. Sensor System .
3. Controller and Communication System . 4. 3D Graphics and Control System .
Keyword: Competitive Entertainment Robot, Intelligent Motion Control, Adaptive Control.
前言
數年來實驗室專注從事於數位遊戲內容之技術研究，企圖將遊戲創作予以工學化。並 從遊戲企劃設計開始扎根，並投入單機遊戲、區域連線遊戲及線上網際網路遊戲之製作，
同時具有遊戲之3D 引擎以及無線網路技術等。在今年初投入部分人力從事行動裝置之遊 戲開發與製作，使數位遊戲內容擴展至行動式之PDA 與手機平台上。也藉由理論與實務之 經驗，使實驗室在數位遊戲內容的研究領域中獲得具體成果。
然實驗室秉持著數位遊戲內容技術應予延伸與突破之觀念，積極尋求遊戲新技術之應 用與開發。另外實驗室成員除擁有數位遊戲內容開發之技術外，同時亦具備自動控制與機 械工程技術，因此對於1997 年風靡國際之「世界機器足球員競賽」及今年崛起於國內之「台 灣機器人足球大賽」有著濃厚的興趣。再者在小型娛樂機器人逐漸成熟的今日，其研究設 備經費已不較過去之龐大，而使得吾人有能力投入人型機器人之研究。因此此時正值台灣 在機器人研究風潮再度萌芽的開端，若能致力結合數位遊戲工學與機器人工學，最終勢必 會新創一種新型遊戲系統。因此實驗室決定依據此目標投入研究新創遊戲系統雛型的開發。
研究目的
研究計畫之最終目的主要是將實體化之遊戲競技型機器人技術與虛擬化之遊戲數位內 容技術互相結合，而創作出新的資訊生活娛樂型態。在 94 年 12 月以「數位生活、創意 無限」為主題的資訊月所展示的四個主題館之一的「休閒空間館」亦強調影音娛樂應與生 活設施結合，才能互動創造出截然不同的娛樂效果。因此本研究計畫企圖將影音娛樂效果 豐富的數位遊戲內容與實體娛樂型機器人之相互結合，使複合實境(mixed reality)技術進入 吾人的生活中，並進一步提升我國在遊戲工學與機器人工學之研究層次。提示為本計劃可 衍生之各種新創遊戲系統，而此等新創遊戲系統皆須完成本計劃「遊戲競技型機器人之智 能運動控制系統研究」為基礎，方可進行後續的研究與整合。
研究之整體目的是實行並整合智能運動控制、感測系統、控制器與通訊系統與3D圖控 系統方面，使得以重心控制法與狀態遷移法，控制基本型機器人之一般型步行與復原性動 作。並分析滑行轉向控制法對於旋轉動作之可行性，以便設計與規劃出更完善的智能運動 方式，並裝載影像擷取裝置至可行一般步行之基本型機器人身上，透過影像資料進行分析 與比對，使原本對外在環境毫無認知的機器人，能辨識週遭環境的要素，以進行對特定之 目標物遠離、接近與追蹤等之功能。
適應性步行所需之感測器亦作全盤測試與應用實驗，以掌握其性能。同時於初期計劃 採用PC Base 與PDA Base 兩種控制器為主，並透過序列埠與序列埠的藍芽模組對基本型機 器人加以控制，使之表現出步行、旋轉、復原型動作等。後期將無線網路通訊亦加以整合，
並透過行動式PDA，分析感測系統的回授訊號，使機器人產生自律與適應性機，最後透過 3D圖控系統導入機器人之運動學及反運動學模組、馬達性能設定模組、感測器擷取介面、
教導編輯器模組與動作數值編輯器模組，並結合藍芽通訊及無線網路模組等。完成3D 圖 控系統使其成為複合實境之雛型。
研究方法
研究計劃「遊戲競技型機器人之智能運動控制研究」之研究內容與方法共分為七項，
分述如下：
(1) 遊戲競技型機器人之機構配置：
遊戲競技型機器人之機構配置由17 個小型伺服馬達所組成，每一個馬達代表一個自由 度，因此機器人基本型共有17 個自由度。機構配置主要模仿兩足人類之關節架構，所以遊 戲競技型機器人所表現的各種動作，是以最接近人體實際動作為依準，而機構配置可根據 下列三種方面來進行研究機構配置、關節角度定義、關節座標系統。
(2) 遊戲競境機器人之運動學及反運動學分析：
機器人之運動學可區分為兩類分別為運動學分析與反運動學分析。機器人之運動學是 利用各個關節角度計算機器人的各個部位在世界座標系之位置與姿勢，而反運動學是利用 給定之世界座標系之位置與姿勢求解各個相對應支關節角度，
(3) 遊系競技型機器人之動作軌跡規劃與產生法：
競技型機器人之智能運動除了要具備一般步行動作之機能外,並且在摔倒時能夠有自 我復原狀態之機能。在環境適應上能也須能夠充分利用內部感測器及外部感測器來即時反 應調整步行動作，因此在軌跡規劃產生法上分別規劃下列動作模式進行實測，一般性步行 動作軌跡規劃、前進步行/後退步行、快速前進步行/快速後退步行、左邊側移/右邊側移、左 邊旋轉/右邊旋轉、階梯步行、斜坡步行、凹凸不整地步行、立姿、坐姿、仰躺、跪姿、俯 臥、前滾翻、後滾翻、左側翻、右側翻之狀態遷移。
(4) 遊戲競技型機器人之控制法則
合稱下列四種控為智能運動控制法，重心控制法、滑步轉向控制法、狀態遷移控制法、
感測器控制法智能運動控制法，以有別於一般控制學門的機器人控制研究，智能運動控制 將是非常重要的關鍵技術，也可讓非控制體系的研究者進入機械人工學研究的捷徑。
(5) 遊戲競技型機器人之感測器系統
計劃中所使用的感測器有馬達內部感測器、Touch 感測器、CCD Camera 、GYRO sensor 及二軸加速度計，使用場合及方法則根據智能運動控制法則搭配應用。
(6) 遊戲競技型機器人之控制器與通訊架構：
遊戲競技型機器人之通訊器架構分為有線與無線兩大通訊架構類型。有線通訊的架構 中以序列埠之RS232C連線為主，主要是透過RS232C傳輸線自PC或是PDA傳輸指令至簡易 控制板控制機器人。採用PDA取代PC進而透過RS232C傳輸方式控制型機器人之模式，除了 由於PDA裝置輕便可攜帶外，更可以隨時隨地可以跟遊戲競技型機器人進行溝通與互動 外。無線通訊的架構中可分為藍芽與WiFi無線連線，主要是將指令透過無線方式傳輸至簡 易控制板控制競技型機器人，另有線與無線的通訊架構內，若再加入感測器的I/O設計並回 授訊號，控制器可以根據回授訊號加以計算所需對應的動作與方法，以達到自律型機器人
之架構。本研究將遊戲技技型機器人之通訊器與通訊架構分為四大類，其通訊架構如下：
RS232C有線通訊方式、藍芽無線通訊方式、WiFi無線通訊方式(自律型I)、WiFi無線通訊方 式+感測器I/O(自律型II)。
(7) 遊戲競技型機器人之3D圖控系統：
3D圖控系統。其除了能讓使用者能夠方便教導與控制機器人外，它能與實驗室現行使 用之3D遊戲引擎相互結合。如此便能很容易地將過去之遊戲開發經驗與成果應用於新創之 遊戲系統雛型上。3D圖控系統將會將3D 機器人模型、實體機器人及3D 遊戲引擎結合在一 起。本研究之系統研究內容與人機介面規劃依序完成3D圖控系統之開發內容、人機介面設 計與規劃。
研究方式，初期以PC Based單機與PDA Based行動裝置兩種控制器為主。開發方法之步 驟依據智能運動控制、感測系統、控制器與通訊及 3D圖控系統四個主要方向實施。控制器 之相關硬體設施規格與開發語言環境如下：
(1) 控制用 PC 電腦之相關硬體設施：
(a) 控制用 PC 電腦裝置硬體系統規格：
處理器 ：AMD K8 3000 記憶體 ：SDRAM 512MB 顯示元件 ：VGA Card with 128MB
I/O 槽 ：串列埠 Serial Port COM1~COM2 (b) PC 串列埠轉藍芽訊號硬體規格：
傳輸器 ：符合 Bluetooth 傳輸規範之串列訊號轉換器。
(2) 自律型控制器 PDA Based 之相關硬體設施：
(a) 自律型控制器裝置硬體系統規格：
產品型號 ：HP iPAQ
處理器 ：Intel PXA270 624Hz 記憶體 ：ROM 32M, RAM 64M
顯示元件 ：65536 色, 240 x320 解析度之 3.5”螢幕 擴充槽 ：SD/CF type II
(b) PDA 行動裝置藍芽訊號硬體規格：
傳輸器 ：內建 Bluetooth 模組需可支援 Serial Port 通訊協定。
(3) 研發用之軟體工具與環境：
(a) PC Based 單機開發環境：使用 Microsoft Visual C++與 Visual Studio C++ .Net 程式，
並結合 C#.Net 視窗介面開發環境開發。
(b) PDA 行動裝置軟體開發環境：使用 Microsoft Visual Studio C# .Net 程式，開發 PDA 行動裝置上的遊戲內容與 PDA 藍芽通訊程式。
(c) 無線通訊軟體開發環境：使用 Microsoft Visual Studio C++ .Net 程式，並結合 C#.Net 視窗介面開發環境開發。
技術說明
一、 智能運動控制：
基本型機器人之控制與路徑軌跡規劃，以重心控制法及狀態遷移法完成基本型機器人 一般性步行及復原性動作控制，並以滑行轉動控制法在基本型機器人旋轉控制之效能，同 時也完成下肢股關節或膝關結處擴充機構，使機器人更準確的具有旋轉機能，充分使用感 測器如Touch、Rate Gyro、Accelerator 等感測器在適應性機器人步行上之控制，並搭載PDA 控制器形成自律型機器人之前期研究，最後已建立遊戲競技型機器人所須之各式步行與運 動軌跡資料庫
二、 感測系統控制：
以PC web camera 或PDA CF camera 搭載於機器人上，並整合影像擷取程式，使機器 人可進行特定顏色目標物之靠近或遠離實驗。並在完成旋轉控制後，進行S 型道路影像導 行實驗。掌握遊戲競技型機器人最重要之感測技術，如Touch Sensor，Rate Gyro，Accelerator 感測器等。
三、 控制器與通訊：
完成以PC為控制器之架構，並建立序列埠傳輸及藍芽通訊傳輸控制，進行遊戲競技 機器人之控制，完成PDA為控制器之架構，並建立序列埠傳輸及藍芽通訊傳輸控制，進行 行動式PDA的遊戲競技機器人控制，完成以PDA為自律型控制器之架構，並進行WiFi無線 網路連線控制，並導入8051控制器+I/O板使感測訊號能進入自律型控制系統中，因此本研 究計劃將通訊器與通訊架構分為「RS232C有線通訊方式」、「藍芽無線通訊方式」、「WiFi 無線通訊方式(自律型I)」與「WiFi無線通訊方式+感測器I/O(自律型II)」四大類，其控制器 與通訊架構圖如下。
圖一：PC←→RS232C←→8051簡易控制板←→競技型機器人
圖二：PDA←→RS232C←→8051簡易控制板←→競技型機器人
圖三：PC←→藍芽模組←→8051簡易控制板←→競技型機器人
圖四：PDA←→藍芽模組←→8051簡易控制板←→競技型機器人
圖五：PC←→WiFi模組←→PDA←→8051＋IO控制板←→競技型機器人
圖六：PDA←→WiFi無線網路←→PDA←→8051＋IO控制板←→競技型機器人
圖七：PC←→WiFi無線網路←→PDA←→8051+IO控制板←→競技型機器人
圖八：PDA←→WiFi無線網路←→PDA←→8051+IO控制板←→競技型機器人
四、 3D 圖控系統：
遊戲競技型機器人之人機介面開發環境是在Microsoft Visual C#.Net 環境下撰寫，依據 競技型機器人系統功能之人機介面，區分為系統設定介面、馬達性能設定介面、感測器擷 取介面、軌跡規劃數值編輯器介面、軌跡規劃教導器介面及實體機器人控制介面六大部分。
圖九：系統設定介面 圖十：馬達性能設定介面
圖十一：感測器擷取介面 圖十二：軌跡規劃數值編輯器介面
圖十三：軌跡規劃教導器介面 圖十四：實體機器人控制介面
結果與討論
本專題研究依據所訂定之目的完成遊戲競技型機器人之智能運動控制相關技術之開 發，並將上述之四個技術層面智能運動控制、感測系統控制、控制器與通訊與3D圖控系統 實現於遊戲競技型機器人中。以PC為控制器之架構，建立序列埠傳輸及藍芽通訊傳輸控 制，進行遊戲競技機器人之控制，圖十五至圖十七為一般性步行動作軌跡規劃實測結果，
在此之一般性步行指的是機器人日常型態之動作，包括前進步行/後退步行、快速前進步行 快速後退步行、左邊側移/右邊側移及左邊旋轉/右邊旋轉等動作。以下均以智能運動之連續 圖示的方式來展現實測結果。
圖十五：快走智能運動之連續圖示
圖十六：右移智能運動之連續圖示
圖十七：轉彎智能運動之連續圖示
所謂復元性動作簡單的說就是回復到機器人最初立姿或是躺姿等狀態之動作模式。復 原性動作針對本研究之機器人相當重要，因為機器人若是沒有復原性的動作能力，那這樣 的機器人就無法在遊戲系統中進行。本計劃中包括立姿->坐姿->仰躺、立姿->跪姿->俯臥、
仰躺->坐姿->立姿及俯臥->跪姿->立姿等復原性動作。圖十八以連續圖示的方式來說明站 立Æ趴下Æ站立軌跡規劃之智能運動控制。
圖十八：站立Æ趴下Æ站立，復原性之智能運動連續圖示
本研究之特殊競技性動作研究主旨在娛延伸機器人之動作機能及娛樂性。由於特殊競 技性之動作是屬於較複雜之動作，所以本研究初期完成前滾翻、後滾翻、左側翻及右側翻 後，又加入倒立與伏立挺身等兩個特殊競技性之智能運動動作加入研究之中，圖十九與圖 二十，以連續圖示的方式來展現特殊競技性軌跡規劃之智能運動控制。
圖十九：倒立之特殊競技性智能運動之連續圖示
圖二十：伏立挺身之特殊競技性智能運動連續圖示
PC 與 PDA 為控制器之架構，建立序列埠傳輸及藍芽通訊傳輸控制，進行遊戲競技機 器人之控制，圖二十一是以 PC 為控制器之遊戲競技型機器人之智能運動控制架構，圖二 十二是以 PDA 為控制器之遊戲競技型機器人之智能運動控制架構，圖二十三是透過 3D 圖 控系統進行即時操作之遊戲競技型機器人之智能運動控制架構。
圖二十一：PC 控制器架構 圖二十二：PDA 控制器架構 圖二十二：3D 圖控系控
可推廣之學術與實務應用面
一、學術研究：
I. 新創研究領域：
如同本計劃之研究目的中所提示的新型態的遊戲系統是目前所未見或是少見的。因 此它是非常值得投入研究的新標的。它的研究領域融入了遊戲工學，機器人工學，資訊 軟體工學，通訊工學及感測器工學等，而形成一門新創的研究領域。然目前國內之學術 機構雖在上述工學領域中都有其獨自的研究業績，但卻甚少跨領域研究。因此冀求能透 過本次計劃研究，讓此新興研究能夠開始起步，引出更多的同好者開創一個求新創異的 遊戲工學領域。
II. 機器人工學技術層次提升：
本計劃中遊戲競技型機器人之智能運動控制系統研究，充分將各個領域之技術融 合，讓機器人工學研究範圍不再只是限制在自動控制理論，機構分析或是控制器的應用。
而是讓機器人整體的性能展現出來，也惟有如此才能追上我國在機器人工學落後的態勢。
III. 遊戲工學之技術層次提升：
本次研究計劃中的新型態的遊戲系統正是打破傳統遊戲系統之契機。無論是從單機 遊戲，區域網路遊戲，網際網路遊戲或是線上遊戲都可以新型態遊戲加以對應。因此從 數位內容研究的角度或是遊戲工學的角度，本計劃都能提供創新及技術提升的催化力。
IV. 學術教學資源交流與共享：
目前整合遊戲工學與機器人工學之相關研究與文獻實為不多。因此如能執行完成本 研究計劃，將可與學術研究者互相分享遊戲競技型機器人之相關開發經驗與知識技術交 流，並快速的增加相關領域的研究人口而有所供獻。
二、國家發展：
I. 培育跨領域之人才：
數位內容遊戲與競技型機器人之結合技術是傳統遊戲架構中所沒有的。同時它也涵 蓋了軟體資訊與機器人的研究範圍，因此透過本計劃將可培育出跨遊戲資訊產業及機械 產業的人才。而導入複合實境技術於新創遊戲系統中更可使得我國之跨領域人才之研究 層次更加提升。
II. 符合數位學習之重點方向：
本研究計劃之後續發展中之一項是透過網路連線，使學生或是玩家透過遠端遙控的 方式來參與遊戲競技型機器人的競賽與學習。此等遠端的實體遙控技術不僅節省設備費 用支出與空間的浪費，同時也可以透過遠端數位遊戲學習提高學生或玩家在機器人控制 技術、感測技術及遙控技術等之知識。以達到符合數位學習國家型科技五年計畫中「學 習網咖」之願景。
III. 產官學資源之結合：
有鑒於近幾年來，不論是國科會、工業局、中華民國資訊學會及中華電信有限公司，
都投入相當多有關於遊戲之競賽，莫非就是要培養大量優秀的數位內容創作人才，以使 我國在資訊產業上能夠開花結果。而本計劃當然可以從學術研究的角度，結合國科會與 中華民國資訊學會，透過工業局及中華電信有限公司等業界之競技大賽達成產官學合作 模式，開拓新創娛樂型態。
三、其他應用：
I. 娛樂產業：
遊戲競技型機器人顧名思義就是要帶給人們歡樂與學習為主要目的。透過虛擬與實 體之結合，可讓遊戲與玩家間的互動更加明顯與挑戰。目前機器人之研究除從事工業用 與家庭用之外，娛樂型機器人的大餅也是不容忽視的，就如同SONY 公司的AIBO 娛樂 型機器人便帶給人們相當多的歡笑及後面的龐大產值。
II. 遊戲競技型機器人競賽之支援：
幾年常常聽見機器人競技、機器人足球大賽、或是機器人跑步比賽等活動。而日本 最早於1997 年於名古屋便舉辦「第一屆世界機器人足球員競賽」，今日台灣也於2004 年 11 月在台南舉辦「台灣機器人足球大賽」，可見競技型機器人將逐漸在台灣萌芽。所以 如能將此研究計劃之結果貢獻於此領域上，勢必會有相當大的助益。
