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158遠端操控水下機械臂系統應用於水下施工作業之技術研發張忠誠1林鎮洲2王榮華1鄭慕德1Cheng-ChungChangChen-ChouLinJung-HuaWangMu-TeCheng鄭禹廷1張家源1黃俊仁1吳聲輝2蔡燈宇1Yu-TingChengChia-YuanChangChun-JenHuangSheng-HuiWuTeng-YuTsai1國立台灣海洋大學電機工程系DepartmentofElectricalEngineering,NationalTaiwanOceanUniversity2國立台灣海洋大學機械與輪機工程學系DepartmentofMechanicalandMarineEngineering,NationalTaiwanOceanUniversity摘要本論文主題在遠端操控水下機械臂系統應用於水下施工作業之技術研究，而總體目標，在對自製之半自主式、視窗導引、目標物導向以及具有高階工作規化能力、影像辨識、測距與運動控制特性之監督式操控水下機械臂系統，固定裝置於水槽上之六軸平台運動模擬器以模擬機械臂固定於ROV之環境，同時把製作完成之模擬施工物件置於水槽，進行物件夾取之水下施工等常用細部工作，以模擬在ROV系統上之半自主式水下機械臂之水下作業工程，本系統依功能分項可分為：工作規劃、影像辨識、測距與運動控制四個模組，整合各模組來完成本系統，以工作規劃指導整個工作程序，而自製之機械臂系統(馬達驅動四自由度、五軸水下機械臂)加上操控軟體配合攝影機和測距器整合可得之影像辨識和x、y、z座標確認能力，完成遠端操控水下機械臂系統，可應用於水下操控及打撈物件之實驗。此水下施工作業之基本程序已完成，同時已加裝六軸平台運動模擬器以用於模擬試驗機械臂裝於ROV在海中運動的情況下，水下機械臂系統作業狀態，以使實驗更接近實際之水下作業環境，本實驗已建立整個物件夾取之作業程式，然而由實驗結果得知如果六軸平台運動模擬器運動速度過快，則因PTU之操控速度不足，加上誤差使定位困難度增加，為求改善ROV較快速度擺動時之水下作業水準，本系統已加入雙眼視覺立體對應點匹配技術配合超音波測距來定位，已改善整個水下作業定位準確度，機械臂也已完成編碼器實驗進行校正工作，已改善其運動誤差。目前測距方面傳統測距器及自製測距器已加以改良其測距品質，使整個水下機械臂系統之水下作業更趨完整且較接近實際之水下作業狀態。ABSTRACTThedevelopingsystemconsistsofamanipulatorwhichistobeafour-d.o.f.,five-jointedoneactuatedbywater-proofelectricDCservomotors,adistancemeasurementsensor,water-proofcamera,computer,interfacetechnologyandtaskplanningtechnologyetc.Thesystemisconstructedasasemi-antonymous,windows-guided,supervisoryunderwaterroboticmanipulatorsystem.APrototypeofteleoperatedunderwaterroboticmanipulatorsystemshasbeensetup.ThefinishedprototypeunderwatermanipulatorsysteminstalledonsixDOFplatform-typemotionsimulatorhavebeenusedasateststationforunderwateroperation,andtargetsalvageinthisexperiment.1591.簡介本實驗在於進行智慧型水下機械臂系統技術研發與實作，整個系統之實體架構，由四個模組整合構成。其中工作規劃模組負責發展使用者介面以及整體工作程序規劃與執行監控；測距模組包括雷射定位及超音波測距感測元件及系統以獲得目的物之Z軸座標為目標，影像處理模組包括水下影像之識別，確認目的物及其X、Y座標；運動控制模組包括自製馬達型水下機械臂系統同時負責水下機械臂之運動控制。整個實驗之目標在於將已裝置完成固定於水槽之智慧型監督自主式水下機械臂系統，進行水下施工作業之技術研發，而本實驗建立加裝於六軸平台運動模擬器之遠端操控監督自主式水下機械臂系統進行水下施工作業之技術研發和作業模式，同時完成初步之夾取目標物試驗。2.實驗系統及原理圖一中我們呈現在水下環境中於模擬器上水下機械臂系統雙雷射定位的架構。在此一系統中擁有超音波測距器(圖二)、紅光雷射(圖三):兩個水下攝影機、兩隻雷射、兩個PTU轉動裝置和一個水下機械臂。這個遠端操控水下機械臂系統的系統架構可以分成四個部份：工作規劃模組(包括使用者介面)，測距模組，影像處理模組，和動作控制模組，各模組關係如圖四所示。在快速運動狀態下PTU之操控速度以嫌不足加上操作誤差即時定位不易，因此加入雙眼視覺立體對應點匹配技術，圖五中為在水下環境中於模擬器上水下機械臂系統雙眼視覺立體對應點匹配系統之架構。(如圖五之架構採用雙攝影機與雷射)配合超音波測距來定位。3.實驗過程及結果討論經防水之雷射PTUPTU經防水之雷射模擬器操作位置攝影機機械臂圖一、雷射定位系統及所有整體架構PTU(轉動裝置)經防水之雷射模擬器操作位置雙攝影機夾爪目標物超音波感測器機械臂圖五、雙眼視覺立體匹配系統及所有整體架構超音波測距器圖二、超音波測距器架設於水下機械臂圖三、紅光雷射於PTU上圖四、各模組關係圖160在本論文中，我們利用六軸平台運動模擬器做ROV運動模擬。再將機械臂固定裝置於平台進行夾取物件之動作。目的在模擬水下施工作業之環境，在此我們以打撈大型物件為計劃之目標。一般打撈大型物件的方式皆必頇透過船上的起重機完成打撈作業。我們模擬在ROV上之運動情況利用機械臂夾取物體以為進一步進行物件打撈之基礎。在抓取物件的過程中，我們結合機械臂系統、影像辨識，測距與工作規劃系統完成實驗工作。本實驗包括工作規劃技術、測距技術、影像處理及運動控制技術等之整合，以規劃技術為主體配合其他模組以完成遠端操控水下機械臂系統之水下施工。在水下機械臂之工作規劃模組方面，此模組負責整體工作程序規劃與執行監控，利用一個監督自主式、遠端操控之自動規劃器，內部以派屈網路（Petrinets）為工作模型，協調及控制各模組，由操作員輸入之部分物件位置資訊自動產生工作順序，完成水下機械臂之工作規劃模型的建構。我們提出了一個有效的方法去轉換水下目標物件為派屈網路中的場所並且利用彩色派屈網路的守衛去代表工作中的部份優先次序。我們也已經完成了此一工作規劃器與系統的整合與測試。此外也提供一個友善的使用者介面。我們設計完成了一個具有PC視窗執行環境的工作規劃器。使用者可以使用滑鼠利用click&drag的方式完成所有規劃的工作。在工作平台方面，平台模組負責模擬ROV洋流擾動之環境，以個人電腦透過RS-232傳遞封包之模式，溝通工作平台，使其達到且完成該運動。測距方面，包括組合雷射定位系統與超音波測距系統，在雷射定位系統組織架構上包含兩支雷射、一台攝影機、兩組PAN-TILT-UNIT裝置及電腦系統等等。攝影機和採購之雷射及PAN-TILT-UNIT轉動裝置於防水箱進行雷射水下試驗及測距試驗。而超音波測距系統包括電源供應器、訊號處理電路及超音波測距器以及PCI1710HG(A/D)介面卡，電腦系統等等。在雷射定位系統方面(如圖一)，經防水封裝在清晰及少浮游生物之較理想水域，其雷射點散射問題不大，配合攝影機及PAN-TILT-UNIT轉動裝置，其整體雷射定位系統已架構試驗，定位實驗也有初步成果，X、Y、Z軸誤差約3%~5%。由於Z軸誤差大，因此搭配超音波測距器以改善定位誤差，Z軸之誤差可減至±1cm。另外裝設六軸平台運動模擬器後，如果平台運動速度大，在快速運動狀態下PTU之操控速度以嫌不足加上操作誤差即時定位不易，因此本計劃加入雙眼視覺立體對應點匹配技術(如圖五)配合超音波測距來定位。除了較可以快速準確得知座標外，Z軸之座標以超音波測距器在機械臂接近目標物，進行較近距離之測量讓其更加準確，因裝置於機械臂末端，未來將利用其探測功能用於錯誤回覆。超音波測距器於遠端操控水下機械臂系統測距，目前其誤差約在±1cm，未來仍可對超音波測距器再加以改進以增加測距之精確度及加強超音波之功能。為求測距器之最佳化，本計劃現已完成自製測距器試驗可以測量非完全垂直超音波發射方向之物體，正進行機械臂之整合試驗。影像處理模組中，研發如何從CCD所擷取的水下影像中，取得「工作規劃」模組所需資訊，為水下作業系統中之前置作業。我們藉由CCD擷取水下影像，將所得影像分割以得到待夾物，再利用雙眼視覺立體對應點匹配與快速影像分割技術所得物件資訊算出物體的x,y,z座標，圖六為影像模組的流程圖。圖六、影像處理流程圖為提高在水下影像分割的速度，發展了一種WA-SFT演算法，這種方法結合WatershedAnalysis(WA)與同步特徵調整演算法SynchronousFeatureTuning(SFT)Algo-rithm來達到快速且精確分割的目的。在雷射定位方面，對於靜態抓取物件時，其誤差可在3%左右，但對於動態平台下，PTU轉動速度較慢，使得放置於PTU上的雷射無法在短時間內完成對焦動作，因此改採雙眼視覺立體對應點匹配，以便能更快速求得物件座標。故在影像處理模組中，經由分割CCD所擷取之影像後，可得待夾物件資訊，接著藉由求取置於機械臂上兩台相鄰照相機所照得的兩張影像相對應物件的對應點後，可以求得物件的(x,y,z)座標。由於在動態平台下，為求較快速的求得兩張影像之對應點，實驗中我們採用了雷射紅點之辨識，以加快對應點匹配的速度。系統主要硬體部分則由運動控制模組設計組成，主要為研發機械臂於水下施工作業所需之運動控制相關技術。圖七所示為機械臂運動控制模組架構。本論文中，我們加入六軸平台運動模擬器模擬水下載具之運動，研發水下物件資訊影像分割對應點匹配輸入影像物體座標161機械臂在動態條件下進行抓取與放置物件之相關技術。圖七、機械臂運動控制模組架構由於水下機械臂安裝於運動模擬器上，使得機械臂於定位上增加許多困難度；故本年度研究著重於提昇機械臂在動態條件下之定位能力。其中之相關技術包括：校正機械臂由於硬體產生之定位誤差，以及以類神經網路模式訓練機械臂在工作空間中之定位能力。此外，在使用者操作介面方面，我們結合虛擬實境3D圖形介面於操控程式之中，讓使用者透過視窗介面進行機械臂之操控。本運動控制模組頇結合影像與測距模組獲得正確之物體位置座標，再藉由補償運動模擬器之位移量，使夾爪可達到預期之位置。水槽測試實驗結果顯示本水下機械臂系統可在適當擾動條件下完成抓取與放置動作。在整合試驗上，實驗目標在進行遠端操控機械臂系統加裝於六軸平台運動模擬器，以模擬裝置於ROV之水下環境同時完成進行機械臂夾取目標物之操控程序及軟硬體之建立，其夾取物件在延續前雷射定位系統(如圖一)所示加上六軸平台之試驗架構。由於模擬水中ROV於動態過程中夾取目標物試驗，為因應動態下造成的速度誤差問題與搖晃之問題，我們另加入雙眼視覺立體對應點匹配，以便更快速求得物件座標位置。整個試驗過程，先將機械臂與目標物於水槽定位，再裝設機械臂、攝影機、雷射定位系統及超音波測距器，並進行位置調整及夾具放置，最後進行機械臂系統水下夾取物件之試驗。在雷射定位系統實驗中，我們由遠而近先以雷射定位得到3D座標，當機械臂移動到物體的正上方且當接近物體時我們再以超音波測距做更精確測距，讓機械臂順利在動態運動下夾取目標物。在圖八中呈現水下機械臂從開始到結束的執行結果，整個過程由電腦控制。圖八-(1)為先以雷射測距系統求出目標物之座標位置，圖八-(2)~(4)為控制機械臂夾取夾具至目標物上方，再由圖八-(4)以超音波測距系統求出目標物之精確座標，八-(5)-(7)機械臂