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臺灣大學機械系電子報

學生園地

上銀智慧機器手實作競賽

上銀智慧機器手實作競賽經驗分享
 

碩1黃皓偉碩1蔡長峰碩2邱翊倫
 

    實驗室自從進入機械手臂研究後,就開始參與上銀科技所舉辦的上銀機械手臂應用組競賽,至今已參加四屆競賽,累積了不少的經驗,過去透過自主開發的控制器,撰寫插補程式進行路徑規劃,可以掌握更多的功能,使機械手臂更精準與穩定,因此也都取得了輝煌的成績,不過這次比賽的題目限定在使用主辦單位提供的控制器,因此我們實驗室過去的優勢就不見了,所以這次比賽是一個全新的開始。

 

智慧分類

 

    在題目設計上與過往不同,開始偏向生活中的應用,像是資源回收分類的問題,每年要花許多人力來分類我們生活中的垃圾問題,如果我們可以有一套解決方案來降低人力的消耗,那會對環境有很大的貢獻,而比賽就以這個為目標要我們設計以機械手臂分類。首先,我們必須辨別出物品的材質,並且以機械手臂將其放到指定箱子中,但是要如何辨別一個物品的材質是非常困難的,我們嘗試過要用不同物品的光學性質去分類,但是在實務上物品反光影響非常大,在影像上面看起來就是一片空白,後來我們也嘗試深度資訊來辨識,不過在兩個物件重疊的情況下,很難分離出個體後辨別種類,最後我們使用AI影像辨識來辨別物體的種類以及位置,然後以深度資訊為輔助深度定位。另外,為了面對多變表面的回收物,我們用真空產生器配合多摺腹吸盤吸起回收物,接著丟到回收箱裡面,但是實驗中發現在深度上感測器沒有辦法辨別得太精確,因此我們設計一個緩衝機構,讓吸盤有更多的裕度以防止吸盤受損。

智慧分類-利用吸盤進行吸取後分類

 

智慧搖飲

 

    另一個題目是智慧搖飲,我們要讓手臂可以聆聽客人點餐的內容,並且完成相對應的飲品,過程中會需要在雪克杯裡面放入客人指定的糖量、冰塊以及飲品,最後要關上上蓋透過手臂上下搖晃來混合所有的原料,最後將成品透過雪克杯上面的小蓋再倒入紙杯中,過程都必須透過手臂完成,整個過程跟一般在手搖飲店製作過程一般無二,現在市面上許多無人商店就是用機械手臂完成飲品的,這也成為了這次的題目之一。首先將客人點餐的聲音錄製到電腦中,並且透過軟體辨別品項之後,產出相對應的路徑輸出給手臂,讓其完成搖飲的動作。語音辨識上面我們使用Google的語音API,然後再分析成字串輸入我們的程式中排程,這些程序是將整個流程分成數個步驟依序如下:放入冰塊、倒入正確的飲品、加入糖、蓋蓋子、搖晃混合以及開蓋倒出成品。冰塊以及飲品的處理方式是以機械夾爪夾取放入或傾倒至雪克杯,蓋蓋子直覺上可以用機械手臂夾起蓋子然後蓋上,但是這個過程太過緩慢,所以我們直接將上蓋固定在手臂的治具上,只要移動過去即可完成動作,另外一個開啟小蓋的動作,一般的方法就是放下杯子、打開小蓋、然後抓起杯子倒入成品杯,但是這個過程太浪費時間了,所以我們運用氣壓元件完成開小蓋的動作,可以大大加快整體的速度,就是利用這兩個技巧,我們遠遠甩開其他組別,並且獲得了此關的冠軍。

智慧搖飲-設計治具搖晃雪克杯進行搖飲

 

智慧撞球

 

    最後一個題目是智慧撞球,機械手臂要能透過撞擊母球讓九號球進入球袋,其他規則與一般撞球一樣,利用影像辨識技術來辨識球的位置,自行設計規劃路徑,我們還自嘲這個題目是為邊緣人設計的,不怕沒有人陪你打撞球,因為現在已經有機器人教練可以陪打桌球了,撞球也是可以。此關需要透過視覺,來辨別出母球、九號球和其他干擾球的位置,透過演算法找到最佳擊球的角度以及方向,輸出路徑至手臂進行擊球的動作。在設計撞球治具的過程中,隊員們還相約去打撞球,透過這個方式我們更能了解撞球的相關技巧,以及球運動的特性,這幫助我們很多,像是撞球會希望是一個短而快速的衝擊,因此我們用直線氣壓缸可以模擬衝球的物理特性,最後設計出來的治具執行結果與手撞的一般無二。
    我們每關都大量地使用氣動元件,原因在於手臂的負載限制5公斤,所以很難在上面安裝馬達等較重的執行元件,氣動元件重量輕且力量大,很適合手臂的應用情境,時間會是一個評判的標準,所以以氣動元件輔助手臂完成小動作,可以大大加速完成任務的時間。       

智慧撞球-利用夾爪搭配氣壓元件撞擊母球

 

經驗累積 期許下次

 

    於比賽當天智慧分類中遇到塑膠類「布丁盒」,這項物品在測試的時候一直被辨別成鐵鋁罐,所以在過程中有重來一次,多花費了一些時間,不過這個結果已經出乎我們意料的好,因為利用AI辨別時還挺幸運的。在智慧撞球也因流程規劃上多了一個動作,多花費一些時間。最後一關智慧搖飲,沒有出什麼意外,最後的成績在一分鐘以內,也獲得了此題的冠軍。
    最後頒獎當天我們滿心期待地準備領獎,由其他隊伍表現狀況來看,覺得我們的表現距離冠軍非常接近,但是頒發到第二名時竟念出我們隊名,當下便疑惑第一名是誰,為什麼不是我們,瞬間心情有點低落,因為其他的單項冠軍在其他關都表現不佳,我們有一個單項冠軍以及其他關卡都表現不錯下,沒有理由會輸,而唯一有可能超過我們的已經在第三名了,誰會是第一呢?結果是由虎尾科技大學隊伍奪冠,因為他們的穩定表現,雖然在每個關卡中並非是最好的,但在最後積分上與我們相同,積分相同的話則比較總共花費時間,他們的總時間略短我們,使我們與冠軍擦肩而過,能把每一題都做測試到很穩定是我們該學習的,期許下次比賽能獲得更好的成績。Art editor Img

 

上銀機械手臂競賽榮獲亞軍

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