ROBO-ONE競技大會用二足機器人的設計與製作

第一章　ROBO-ONE(委員會)介紹
1-1　ROBO-ONE的魅力 2
　　1-1-1　導言 2
　　1-1-2　什麼是ROBO-ONE 2
　　1-1-3　ROBO-ONE的誕生 2
　　1-1-4帯 帶動業餘愛好者的加入及KHR-1的誕生 3
　　1-1-5　ROBO-ONE的再進化 3
　　1-1-6　ROBO-ONE發展歷史 4
　　1-1-7　要求各種的功能 5
　　1-1-8　擴大參賽的範圍 6
　　1-1-9　讓機器人成為助手 6
　　1-1-10 在太空中戰鬥 6
　　1-1-11 拋出後著地保持立姿 7
　　1-1-12 實態模擬與掌握現象創造奇蹟 8
　　1-1-13 整合性模型庫(Model-base)[6]開發 9
　　1-1-14 技術人員教育 9
　　1-1-15 結論 9
　　參考文獻 9
1-2 ROBO-ONE的競技規則及今後展望10
　　1-2-1　導言 10
　　1-2-2　ROBO-ONE的機器人規格 10
　　1-2-3　預選示範(Demonstration) 11
　　1-2-4　機器人的格鬥技術 12
　　1-2-5　結論 15
　　參考文獻 15
 
第二章　機器人用零組件(元件)的構造
2-1　機器人用的電子零組件(元件) 18
　　2-1-1　導言 18
　　2-1-2　電阻(Resistor：電阻器) 18
　　2-1-3　電容(Capacitor：電容器) 18
　　2-1-4　線圈(Coil) 19
　　2-1-5　二極体(Diode) 20
　　2-1-6　發光二極体(LED：Light-　　　　
　　 Emitting Diode) 20
　　2-1-7　電晶体(Transistor) 20
　　2-1-8　光電晶体(Phototransistor) 21
　　2-1-9　 TTL IC與邏輯電路 21
　　2-1-10　運算放大器(Operational Amplifier) 22
　　2-1-11　三端穩壓器(3-Terminal Regulator) 22
　　2-1-12　RS485驅動IC 23
　　2-1-13　揚聲器(Speaker) 23
　　2-1-14　按鈕開關(Push-button switch) 23
　　2-1-15　結論 24
2-2　各類感知器(Sensor) 24
　　2-2-1　導言 24
　　2-2-2　角度感知器 24
　　2-2-3　超音波感知器 25
　　2-2-4　光感知器(Photosensor) 25
　　2-2-5　PSD距離感知器(Distance Sensor) 26
　　2-2-6　人體感知器(Human sensor) 27
　　2-2-7　迴轉感知(應)器(陀螺儀：Gyro sensor) 28
　　2-2-8　重力加速度感知器/加速度感知器 29
　　2-2-9　力量感知器(FSR：Force Sensing Resister) 29
　　2-2-10　荷重元(Load cell) 30
　　2-2-11　結論 31
　　參考文獻 31
2-3 機器人用伺服馬達(Servo motor)32
　　2-3-1　導言 32
　　2-3-2　無線操控用伺服馬達((Radio Control Servo Motor) 32
　　2-3-3　機器人用串列伺服馬達(Serial servo Motor) 32
　　2-3-4　串列通信(Serial communication：序列通訊) 33
　　2-3-5　伺服馬達的定位控制　34
　　2-3-6　Dynamixel的控制桌面(Control table)　35
　　2-3-7　Dynamixel通訊協定(Protocol)37
　　2-3-8　近藤科學公司的串列伺服馬達　(Serial sever motor)　38
　　2-3-9　雙葉電子工業公司的指令式伺服馬達　39
　　2-3-10　伺服馬達的特性　40
　　2-3-11　串列通信伺服馬達的電源線( Power line)　42
　　2-3-12　結論　42
　　參考文獻　43
2-4　使用LabVIEW軟體的感知器的　
　　 應用　43
　　2-4-1　導言　43
　　2-4-2　關於LabVIEW　 43
　　2-4-3　Dynamixel Configurator(配置程式)　44
　　2-4-4　RS485介面通訊微處理器基板 44
　　2-4-5　由重力加速度感知器求角度45
　　2-4-6　智慧型(Intelligent)超音波感知器 46
　　2-4-7　超音波距離感知器(Range sensor)47
　　2-4-8　PSD距離感知器 47
　　2-4-9　力量(力覺)感知器(Force sensor)49
　　2-4-10　機器人用伺服馬達的角度精度檢驗方法 50
　　2-4-11　機器人用伺服馬達步階響應的測定方法　50
　　2-4-12 機器人用伺服馬達扭矩(扭力)的測定方法　51
　　2-4-13　腳底(Sole)感知器的調整方法 51
　　2-4-14　結論 52
　　參考文獻52
2-5　電池(Battery)　52
　　2-5-1　什麼是可充電電池(Rechargeable battery) 　52
　　2-5-2　鋰離子電池(Lithium-ion battery)的動作原理　52
　　2-5-3　鋰離子電池的構造　53
　　2-5-4　鋰離子電池的特點　53
　　2-5-5　鋰離子電池的處理　54
　　2-5-6　鋰離子電池的撞擊　54
　　2-5-7　鋰離子電池的外部短路　54
　　2-5-8　鋰離子電池的充電　54
　　2-5-9　鋰離子電池的放電　55
　　2-5-10　鋰離子電池的保存(保管)　55
　　2-5-11　鋰離子電池的特性　56
　　參考文獻　57
 
第三章　機器人的開發環境(Development environment)
3-1　導言　60
3-2　軟體開發工具(Programming tool)　60
　　3-2-1　GCC Developer Lite　60
　　3-2-2　LabVIEW62
3-3　機器人用控制器(Controller)63
3-4　ROBO-ONE競技必備的硬體 64
　　3-4-1　馬達(Motor)　64
　　3-4-2　控制器　65
3-5　以PC為主機(Host)的程式(Program)　66
　　3-5-1　由採用串列介面(Serial I/F)的PC駆在驅動馬達前　66
　　3-5-2　GCC Developer Lite與Dynamixel Windows用程式庫的備用 67
　　3-5-3　Dynamixel Windows程式庫的雛形與編譯(Compile)方法　67
　　3-5-4　應用DXLIB2軟體驅動馬達　69
　　3-5-5　由LabVIEW軟體開發工具應用DXLIB2　75
3-6　以機器人用控制器為主機(Host)的程式(Program)　76
　　3-6-1　採用Dynamixel程式庫　77
　　3-6-2　採用FREEDOMⅢ程式庫 78
3-7　結論　78
 
第四章　二足步行機器人用的軟體
4-1　基礎的機器人程式設計(Robot programming)　80
　　4-1-1　導言　80
　　4-1-2　二足步行機器人的設計　80
　　4-1-3　二足步行機器人系統　80
　　4-1-4　自主神經系統(Autonomic Nervous System：ANS) 　80
　　4-1-5　FREEDOM jr.III的準備(備機) 81
　　4-1-6　驅動二足步行機器人的程式設計85
　　4-1-7　結論　96
　　參考文獻　96
4-2　機器人的控制程式(Control program)　97
　　4-2-1　導言　97
　　4-2-2　迴轉感應器　97
　　4-2-3　腳底感知器的活用方法　98
　　4-2-4　傾斜感知器控制　101
　　4-2-5　學習控制　101
　　4-2-6　超出控制範圍時的處理　101
　　4-2-7　結論　101
　　參考文獻　102
4-3　應用程式碼產生工具MATLAB
Simulink Embedded Coder的程式設計　102
　　4-3-1　導言　102
　　4-3-2　二足步行機器人的逆向運動學(Inverse kinematics)　102
　　4-3-3　兩腳步行模式的編成(Create) 103
　　4-3-4　C Code(C語言碼)編成 104
　　4-3-5　結論　106
　　參考文獻　106
 
第五章　無線環境
5-1　導言　108
5-2　Wi-Fi(Wireless Fidelity：無線保真)　 108
5-3　WWAN(wireless wide area network：無線廣域網路) 110
5-4　Bluetooth(藍芽) 110
5-5　2.4GHz頻帶無線裝置 112
5-6　結論　114
 
第六章　人機介面(Human Machine Interface: HMI)
6-1　機器人的控制方法　116
　　6-1-1　控制用端末設備的種類與特點116
　　6-1-2　操控機器人的指令內涵　118
　　6-1-3　基本的機器人操控　118
　　6-1-4　針對競技用的操控方法　119
6-2　主-從式(Master-slave) 120
　　6-2-1　Master-slave的特點　 120
　　6-2-2　主-從式(Master-slave)的製作方法　122
6-3　其他的控制方法　127
　　6-3-1　利用PC的操控(GUI)　 127
　　參考文獻　132
　　6-3-2　利用Wii控制器的操控　133
　　參考文獻　136
　　6-3-3　利用iPhone的操控　 136
　　
第七章　機器人製作實例
7-1　Metallic Fighter(金鋼戰士)製作
　　實例　144
　　7-1-1　導言　144
　　7-1-2　第一階段：由市販的套裝組品(Kit)開始學習 　144
　　7-1-3　第二階段：改造市販的套裝組品　145
　　7-1-4　第三階段：挑戰自製原型機器人(Original Robot)　146
　　7-1-5　第四階段：創造動作(Motion)154
　　7-1-6　結論　156
7-2　Tokotoko丸製作實例　 157
　　7-2-1　Tokotoko丸概要　157
　　7-2-2　機構設計概要　160
　　7-2-3　步行動作　162
　　7-2-4　結論　165
7-3　抓住物品的手的構造(Doka 　　
　　 harumi：Doka晴美)　165
　　7-3-1　二足步行機器人的手　165
　　7-3-2　手指的構造　165
　　7-3-3　能接投球的手　166
　　7-3-4　能抓蛋的手　168
　　7-3-5　能打開瓶蓋的手　 173
　　7-3-6　結論　 176
7-4　人體規格(人體大小)的機器人的構造(OmniZero) 176
　　7-4-1 如何將機器人大型化及應注意事項　 176
　　7-4-2　機體強度　 181
　　7-4-3　安全性　 183
　　7-4-4　製作實例(OmniZero 7) 184
　　7-4-5　製作實例(OmniZero 9) 184
7-5　凱撒大帝(King Kizer)製作實例　 185
　　7-5-1　導言　 185
　　7-5-2　凱撒大帝(King Kizer)系列186
　　7-5-3　輕量級機器人　 190
　　7-5-4 能在ROBO-ONE獲勝的機器人必備條件　 195
　　7-5-5　結論　 196