機械手臂伺服控制器之研究與設計 廖莉嘉、陳俊達
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摘 要
中文摘要 近年來，許多專家學者陸續投入關於人機介面之研究，研究指出一個好的人機介面須具備有操作簡單、遠端控制
、安全性高等特性。此外，人機介面若整合虛擬實境技術可應用於更廣泛的領域如教學設備或是醫療系統等方面，其未來 之發展是目前各界汲汲努力的目標。因此，本研究針對具人機互動特性之輪椅機器人配合虛擬實境技術發展一套人機介面 系統。首先，運用繪圖工具SolidWorks來建立輪椅機器人的模型及所需的虛擬場景，接著利用Microsoft Visual Basic撰寫模 擬程式與設計控制系統介面，最後使用RS-232傳輸輪椅機器人運動時各馬達的訊號，經過估算後使虛擬輪椅機器人可即時 與輪椅機器人同步作動。另外，亦設計一套單機練習操作之系統，操作者可使用單機操作先熟悉此輪椅機器人的動作模式
，當實際操控輪椅機器人時將 可更容易上手。
關鍵詞 : 人機介面 ; 輪椅機器人 ; 虛擬實境
目錄
目錄 封面內頁 簽名頁 博碩士論文電子檔案上網授權書 iii 中文摘要 v 英文摘要 vi 誌謝 vii 目錄 viii 圖目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 緣起 1 1.2 文獻 2 1.2.1 人機介面系統 2 1.2.2 虛擬實境技術之發展與應用 5 1.2.3 輪椅機器人特性分析 6 1.3 本文目標 7 1.4 研究動機 7 1.5 研究目的 8 1.6 研究範圍與對象 9 1.7 研究方法與進行步驟 9 1.8 論文架構 11 第二章 人機介面設計 13 2.1 人機介面與人因工程說明 13 2.2 人機介面設計的基本流程 14 2.3 人機介面之設計原則[6] 15 2.4 人機介面設計–動作說明 19 2.5 人機介面設計–比照設計原則 26 第三章 人機介面系統-軟體架構 31 3.1 虛擬實境 31 3.2 EON Studio應用 32 3.3 使用 之節點特色 39 3.4 Solid Works應用 50 第四章 人機介面系統-硬體架構 54 4.1 輪椅機器人之架構 54 4.2 輪椅機器人之運動模 式 59 第五章 人機介面系統-數值轉換 61 第六章 人機介面設計-研究成果 64 6.1 單機練習系統成果 64 6.1.1 單機練習–平地 行進模擬成果 64 6.1.2 單機練習–雙觸地轉換模擬成果 68 6.1.3 單機練習–攀爬階梯模擬成果 69 6.1.4 單機練習–攀爬螺旋 樓梯模擬成果 70 6.2 人機互動系統成果 72 6.2.1 人機互動系統–平地行進模擬成果 72 6.2.2 人機互動系統–攀爬階梯模擬 成果 77 第七章 結論與未來展望 81 7.1 結論 81 7.2 未來展望 81 參考文獻 83 圖目錄 圖1. 1 艦艇操控台之人因工程架構圖 4 圖1. 2 VR結合輪椅機器人之人機介面系統流程圖 11 圖2. 1 人機介面之歡迎畫面 20 圖2. 2 系統選擇介面 20 圖2. 3 單機訓練 之人機介面 22 圖2. 4 單機人機介面之EON Studio畫面 23 圖2. 5 平地行走之控制介面 23 圖2. 6 雙觸地轉換之控制介面 23 圖2. 7 連續爬樓梯之控制介面 24 圖2. 8 爬樓梯分解動作之控制介面 24 圖2. 9 旋轉樓梯之控制介面 25 圖2. 10 輪椅機器人整 合虛擬實境之人機介面 25 圖2. 11 緊急終止畫面 26 圖2. 12 副視景畫面 27 圖2. 13 訊息視窗畫面 29 圖2. 14 彩色訊息介面 30 圖3. 1 虛擬實境人機介面之流程示意圖 32 圖3. 2 EON Studio操作介面 33 圖3. 3 EON Studio元件視窗之功能節點 34 圖3. 4 EON Studio元件視窗之標準原型 35 圖3. 5 EON Studio之模擬樹狀結構視窗 36 圖3. 6 EON Studio之流程控制視窗 37 圖3. 7 EON Studio之尋求援助視窗 38 圖3. 8 EON Studio之模擬視窗 39 圖3. 9 Input節點圖 39 圖3. 10 Input節點形式圖 40 圖3. 11 Input節點連結圖 40 圖3. 12 Output節點圖 41 圖3. 13 Output節點形式圖 41 圖3. 14 Output節點連結圖 41 圖3. 15 Place節點圖 42 圖3. 16 Place節點形式圖 42 圖3. 17 Place節點動作圖 43 圖3. 18 Rotate節點圖 43 圖3. 19 Rotate節點形式圖 44 圖3. 20 Rotate節點動作圖 44 圖3. 21 Counter節點圖 45 圖3. 22 Counter節點動作圖 45 圖3. 23 Counter節點形式圖 45 圖3. 24 Walk節 點圖 46 圖3. 25 Walk節點動作圖 46 圖3. 26 Walk節點形式圖 47 圖3. 27 Degree of Freedom節點圖 47 圖3. 28 Degree of Freedom節點動作圖 48 圖3. 29 Degree of Freedom節點形式圖 49 圖3. 30 Frame節點圖 49 圖3. 31 Frame節點動作圖 50 圖3.
32 Frame節點形式圖 50 圖3. 33 Solid Works零件之操作介面圖 51 圖3. 34 Solid Works組合件之操作介面圖 52 圖3. 35 Solid Works工程圖之操作介面圖 53 圖4. 1 輪椅機器人之整體架構圖 54 圖4. 2 輪椅機器人之主體架構圖 55 圖4. 3 輪椅機器人之 腰節機構平面圖 56 圖4. 4 腰節機構運動方式 56 圖4. 5 腰節機構另一種運動方式 57 圖4. 6 輪椅機器人之腿節機構平面圖 58 圖4. 7 腿節機構運動方式 58 圖4. 8 輪椅機器人之脛節架構圖 59 圖5. 1 輪椅機器人符號示意圖 62 圖6. 1前進模擬成果-靜止 狀態 65 圖6. 2前進模擬成果-前進狀態 65 圖6. 3轉彎模擬成果-靜止狀態 66 圖6. 4轉彎模擬成果-左轉狀態 66 圖6. 5轉彎模擬 成果-右轉狀態 66 圖6. 6後退模擬成果-靜止狀態 67 圖6. 7後退模擬成果-後退狀態 67 圖6. 8原地轉彎模擬成果-靜止狀態 67 圖6. 9原地轉彎模擬成果-原地左轉狀態 68 圖6. 10原地轉彎模擬成果-原地右轉狀態 68 圖6. 11雙觸地模擬成果-皮帶輪著地 狀態 68 圖6. 12雙觸地模擬成果-車輪著地狀態 68 圖6. 13爬樓梯模擬成果-靜止狀態 69 圖6. 14爬樓梯模擬成果-右動作狀態 69 圖6. 15爬樓梯模擬成果-左動作狀態 69 圖6. 16爬樓梯模擬成果-主體動作狀態 69 圖6. 17攀爬螺旋樓梯模擬成果-靜止狀態 70 圖6. 18攀爬螺旋樓梯模擬成果-攀爬樓梯狀態(a) 71 圖6. 19攀爬螺旋樓梯模擬成果-轉彎狀態(a) 71 圖6. 20攀爬螺旋樓梯模 擬成果-攀爬樓梯狀態(b) 71 圖6. 21攀爬螺旋樓梯模擬成果-轉彎狀態(b) 71 圖6. 22攀爬螺旋樓梯模擬成果-攀爬樓梯狀態(c) 72
圖6. 23攀爬螺旋樓梯模擬成果-轉彎狀態(c) 72 圖6. 24輪椅機器人-靜止狀態 73 圖6. 25輪椅機器人-前進狀態 73 圖6. 26前進 模擬成果-靜止狀態 73 圖6. 27前進模擬成果-前進狀態 73 圖6. 28輪椅機器人-靜止狀態 74 圖6. 29輪椅機器人-左轉狀態 74 圖6. 30輪椅機器人-右轉狀態 74 圖6. 31轉彎模擬成果-靜止狀態 74 圖6. 32轉彎模擬成果-左轉狀態 75 圖6. 33轉彎模擬成果- 右轉狀態 75 圖6. 34輪椅機器人-靜止狀態 75 圖6. 35輪椅機器人-後退狀態 75 圖6. 36後退模擬成果-靜止狀態 75 圖6. 37後退 模擬成果-後退狀態 75 圖6. 38輪椅機器人-靜止狀態 76 圖6. 39輪椅機器人-原地左轉狀態 76 圖6. 40輪椅機器人-原地右轉狀 態 76 圖6. 41原地轉彎模擬成果-靜止狀態 77 圖6. 42原地轉彎模擬成果-原地左轉狀態 77 圖6. 43原地轉彎模擬成果-原地右 轉狀態 77 圖6. 44輪椅機器人-靜止狀態 78 圖6. 45輪椅機器人-攀爬階梯狀態(a) 78 圖6. 46輪椅機器人-攀爬階梯狀態(b) 78 圖6. 47輪椅機器人-攀爬階梯狀態(c) 78 圖6. 48輪椅機器人-攀爬階梯狀態(d) 78 圖6. 49輪椅機器人-攀爬階梯狀態(e) 79 圖6. 50 輪椅機器人-攀爬階梯狀態(f) 79 圖6. 51攀爬階梯模擬成果-靜止狀態 79 圖6. 52攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀態(a) 79 圖6. 53 攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀態(b) 79 圖6. 54攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀態(c) 80 圖6. 55攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀 態(d) 80 圖6. 56攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀態(e) 80 圖6. 57攀爬階梯模擬成果-攀爬階梯狀態(f) 80
參考文獻
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