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摘要

本研究主要希望實現工廠料件自動組合與運輸，機器人能夠將進料區之料件經過指定的

組合程序組合完成後，送至該組合之出料區出料，本研究使用 KNRm 控制器做為控制核心，

KNRm 控制器為貝登堡公司與美國國家儀器公司（NI）共同開發，使用 NI myRIO 嵌入式系

統，內建處理器與記憶體，讓使用者可以輕鬆的將應用程式放到上面來執行，KNRm 的外部

介面定義了常用的機器人設備連接埠，以模組化的方式整合

各介面，讓使用者可快速的將馬達、感測器等周邊設備連接。

本研究使用 NI LabVIEW 撰寫程式，驅動直流馬達、伺服馬

達，搭配超音波感測器、LEGO Touch Sensor、LEGO Light

Sensor 及使用 MATRIX 鋁構件所組成之機構，構成一台可

夾取物件及運輸之機器人。

壹、研究動機

工業 4.0 是大量運用自動化機器人、感測器物聯網、供應鏈互聯網、銷售及生產大數據

分析、這 4 大要素，隨著工業 4.0 的時代來臨，工廠也將高度自動化，可以主動排除生產障礙，

越來越多的機器人會代替人工，甚至是完全替代，實現「無人工廠」、「自動化辦公室」、「智

慧家電」和「客製化」。本研究以「無人工廠」為例子來模擬工廠料件自動組合與運輸，機器

人能夠將進料區之料件經過指定的組合程序組合完成後，送至該組合之出料區出料。

貳、與研究目的

一、基於研究動機所探討機器人之功能，本研究希望機器人具備以下幾種特性：

1. 底盤由全向輪(omni wheels)或萬向輪(mecanum wheels)驅動。

2. 利用自組式夾爪執行夾持功能。

二、場地說明：

基於本研究需模擬工廠內部，如圖 1 所示，本研究使用厚度為 4mm 的塑膠瓦楞隔板為地

墊，貼出一塊尺寸為長 400cm×寬 200cm 之場地，場地四周為 5cm 高以上之金屬圍籬，A

區為機器人之基地(60cm×60cm 之方框)，B 區為進料區、C 區為棧板區，B、C 兩區皆為

由 3 個郵便箱 Box2(長 23cm×寬 18cm×高 19cm)所組成之平台，D 區為棧板+甲料+乙料之

出料區、E 區為棧板+甲料+丙料之出料區、F 區為棧板+乙料+丙料之出料區，D、E、F

則皆為由 2 個郵便箱 Box5(長 23cm×寬 14cm×高 13cm)所組成之平台，E 區前方一條約 50cm

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之黑線，方便機器人定位使用。

圖 1

三、機器人任務說明：

機器人從基地出發，將進料區的甲料(圖 2)兩個、乙料(圖 3)兩個、丙料(圖 4)兩個經過組

合後，並將組合完成之料件置於棧板(圖 5)上方，再送至該組合之出料區。(註：棧板區

棧板數量為 3 個)

圖 2

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圖 3

圖 4

圖 5

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參、研究設備及器材 1. KNRm 控制器

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2. I2C 樂高感測器擴充模組

3. RC 馬達擴充模組

4. 超音波感測器

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5. 樂高觸碰感應器(LEGO Touch Sensor)

6. 樂高光感應器(LEGO Light Sensor)

7. 直流馬達以及全向輪

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8. 直流伺服馬達

9. MATRIX 鋁構件

10. 底盤

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11. 電池

12. USB 無線網卡

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肆、研究過程與方法

一、系統架構與設計

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二、機構

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三、 馬達

1. 直流馬達(DC Motor)

直流馬達之工作原理可用「弗萊明左手定則」來說明，弗萊明左手定則可用來判斷一根

載有電流的導線置於磁場中時其受力的方向。左手之大拇指代表導體受力方向、食指代

表磁場方向、中指代表電流方向，如圖 6 所示，該環狀線圈將順時針旋轉。

圖 6

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2. 直流伺服馬達(Servo Motor)

伺服馬達就是依照指示命令動作所構成的控制裝置，應用於馬達的伺服控制，將感測器

裝在馬達與控制對象機器上，偵測結果會返回伺服放大器與指令值做比較。由此可知，

因為伺服馬達是以回饋訊號控制，應用於伺服馬達通常具有精密的位置檢測元件如光電

編碼器或解角器(resolver)做為位置或速度的回授元件。伺服馬達的動作特性是進行位置

定位控制和動作速度控制，其主要特點是 轉速可以精確控制，速度控制範圍廣，可以安

定平順等速運轉之外，還可以根據需求隨時變更速度。在極低速度也可以穩定轉動。能

迅速做出正轉與逆轉，也能迅速加減速。在由靜態改為動態運作或由動態改為靜態運作

所需費時極短，而且即便有外力附加仍可以保持位置。並在額定容量範圍內瞬間產生大

轉矩，輸出功率大且效率也高。

四、 感測器

1. 超音波感測器(Ultrasonic Sensor)

超音波感測器(PING))) sensor)是由超音波發射器、接收器和控制電路所組成。當它被觸

發的時候，會發射一連串頻率為 40kHz 之聲波並且從離它最近的物體接收回音。超音波

是人類耳朵無法聽見的聲音，因為其頻率很高。如下圖 7 所示，超音波測量距離的方法，

是測量聲音在感測器與物體之間往返經過的時間，聲音在空氣中的傳播速度大約是每

秒 340 公尺，傳播速度會受溫度影響，溫度愈高，傳播速度愈快，聲音傳播 1 公分所需的

時間約為 29microseconds(百萬分之一秒)，由於超音波從發射到返迴是兩段距離，因此在

計算時必須將結果除以 2 才是正確的物體距離。所以我們可以利用底下的公式算出物體

距離(距離單位為公分，其中 timing 是測量得到的音波傳播時間)：

timing/29/2

圖 7

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2. 樂高觸碰感應器(LEGO Touch Sensor)

觸碰感應器檢測是否按入了感應器正面的按鈕。例如，可以使用觸碰感應器檢測機器人

在驅動時與某個物體碰撞的情況，還可以使用手指壓下觸碰感應器以觸發某個動作，觸

碰感應器在軟體上的回傳定義值為：按下→True、未按下→False，但在實際電路上，觸

碰感應器回傳定義值為：按下→0.93V、未按下→5V。

3. 樂高光感應器(LEGO Light Sensor)

光感應器可用來感測物質之亮度，通常都被使用於辨識黑線以及循跡，Light Sensor 在軟

體上回傳定義值為：亮度較低→回傳值高、亮度較高→回傳值低。

伍、研究結果

機器人順利的完成任務：

1. 機器人從基地出發至 B 區旁，旋轉 180 度，並使用超音波感測器校正機器人與金屬

圍籬之距離

2. 使用超音波感測器感測郵便箱之位置，並移動至甲料進料區取料

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3. 移動至乙及丙料進料區進行組合

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4. 機器人移動至 C 區旁，使用 LEGO Touch Sensor 進行撞牆校正

5. 將組合完成之料件送至 C 區並放置於棧板上方

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6. 機器人移動至 D 區旁，使用 LEGO Touch Sensor 進行撞牆校正

7. 將棧板+甲料+乙料送至 D 區出料

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8. 機器人移動至 B 區旁，旋轉 180 度，並使用超音波感測器校正機器人與金屬圍籬之

距離

9. 使用超音波感測器感測郵便箱之位置，並移動至乙料進料區取料

10. 移動至丙料進料區進行組合

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11. 機器人移動至 C 區旁，使用 LEGO Touch Sensor 進行撞牆校正

12. 將組合完成之料件送至 C 區並放置於棧板上方

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13. 機器人移動至 E 區旁，使用 LEGO Light Sensor 與黑線定位

14. 將棧板+甲料+丙料送至 E 區出料

15. 機器人移動至 F 區旁，使用 LEGO Touch Sensor 進行撞牆校正

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16. 將棧板+乙料+丙料送至 F 區出料

17. 機器人完成任務，回基地

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陸、討論

在研究過程中，遇到了許多令我們苦惱的問題：

1. 超音波校正問題：校正距離時總是校正不到，距離不是太遠就是太近。

2. 機器人車體歪斜問題：機器人跑一段距離後，車體總是會歪斜。

針對以上兩點問題，我們討論出以下幾種解決方式：

1. 針對問題 1：

A. 換場地。

B. 調整感測器之位置。

2. 針對問題 2：

A. 放棄以向量的方式跑場地。

B. 機器人行走一段距離後，進行撞牆校正。

我們試著用以上幾種解決方式，發現：

1. 針對問題 1：換場地其實沒甚麼效果，因為問題根本還是感測器的位置，當感測器

位置太低時，感測器發出的聲波受到地板的影響，導致感測器讀到的值極不穩定。

2. 針對問題 2：我們讓機器人以簡單的直走、橫移來移動，減少輪子打滑的機會，發

現車子歪斜的情況有好轉，但還是有輕微的歪斜，所以我們使用 LEGO Touch Sensor

來解決此問題，當機器人跑一段距離後，利用撞牆來校正車體。

柒、結論

針對這一次的研究我們了解到機器人對於人類的生活是息息相關的，不論是在工廠、家

庭或是商場等地方都能看到有關機器人的影子，在這次的研究結果中我們更能確定機器人的

時代將會在不久後出現在你、我身邊。

對於未來的研究計畫我們想出兩大方向：

1. 加入新的感測器如：影像監控和影像辯識等，能讓使用者知道機器人在執行的

過程中是否有正確的完成任務且機構是否完好。

2. 機構再改造：以目前機構來說已經比之前機構快上許多，但隨著需求變多對目

前機構來講是不夠的，為了能解決這大量的需求，我們要試著去想出能提高效率且穩定性

高的機構來滿足這大量的需求。

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捌、參考資料

1. 宋開泰(1957)。《KNR 機器人實驗手冊：KNRm 控制器實驗教材開發(增訂版)》。馥林

文化。

2. Cooper Maa(2012.9.17)。＜HC-SR04 超音波感測器介紹＞。

http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2012/09/hc-sr04.html

3. roboard(2013.6.14)。＜RoBoard 與 Lego NXT Sensors 之連接＞。

http://www.slideshare.net/roboard/roboard-lego-nxt-sensors

4. 張超舜。＜直流馬達與交流馬達之介紹與應用＞。

http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/03/2008033111160722.pdf

5. 維基百科。＜伺服馬達＞。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E9%A6%AC%E9%81%94

6. 第 46 屆全國技能競賽暨第 44 屆國際技能競賽國手選拔賽試題資料(45-機器人)。

http://sc.wdasec.gov.tw/uploaddowndoc?file=/publabor/comm/201609071635050.rar&flag=do

c&filename=45%E6%A9%9F%E5%99%A8%E4%BA%BA.rar

7. KNRm Roboties＞WSC＞2016 全國賽。

https://drive.google.com/file/d/0ByMbh1m03zfzblVzbjlvNjNWdVE/view

8. LabVIEW Pro 專業論壇＞基礎教學。http://labviewpro.net/teach_list.php?fid=6

9. ellick(2016.10.31)。＜KNRm你不能不會的小技巧(2)–無線(Wireless)連接 KNRm＞。

John's 機器人技能競賽筆記。https://worldskill.wordpress.com/2016/10/31/knrmwifi/

10. ellick(2016.10.17)。＜KNRm 你不能不會的小技巧(1)–將 Open(Remote)指令加到功

能表＞。John's 機器人技能競賽筆記。

https://worldskill.wordpress.com/2016/10/17/knrmopenremote/

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目錄

壹、研究動機 ..................................................................................................................................... 1

貳、與研究目的 ................................................................................................................................. 1

參、研究設備及器材 .......................................................................................................................... 4

肆、研究過程與方法 .......................................................................................................................... 9

一、系統架構與設計 ........................................................................................................................... 9

二、機構 .............................................................................................................................................. 10

三、馬達 .............................................................................................................................................. 13

四、感測器 .......................................................................................................................................... 14

伍、研究結果 ....................................................................................................................................15

陸、討論 ............................................................................................................................................23

柒、結論 ............................................................................................................................................23

捌、參考資料 ....................................................................................................................................24