中央大學電機系王文俊教授－robot 機器人

中央大學電機系王文俊教授的實驗室名為智慧型控制與影像處理實驗室（Intelligent Control and Image Processing Lab，簡稱ICIP Lab），主要研究領域為模糊控制與系統（Fuzzy Control and Systems）、機器人（Robots）、影像處理（Image Processing）等相關理論或應用研究。近年來該實驗室發展的研究，比較具代表性的成果如（1）自主式撿乒乓球機器人－獲得第九屆（2009）旺宏金矽獎銅獎；（2）隨從機器人－獲得第九屆（2009）旺宏金矽獎金獎；（3）同心協力互動機器人－獲得第八屆（2008）旺宏金矽獎銅獎；（4）具模仿學習與旋律辨識之打擊樂機器人。此次，將優先介紹屬於輪型機器人研發之自主式撿乒乓球機器人。
自主式撿乒乓球機器人是一部改裝自台灣松騰實業有限公司趴趴走吸塵器的可移動式輪型機器人，能在桌球場上自動搜尋球的位置並前往撿球，球撿完了又可自動歸位集球。這個機器人主要應用於桌球，可以讓球員盡情打球，不用花時間在撿拾乒乓球上。

自主式撿乒乓球機器人功能
1. 自動尋找乒乓球：根據球的顏色當作辨識的特徵，利用色塊中心的位置，?決定前進、左右轉的動作，以追蹤乒乓球。
2. 吸取乒乓球：移動到乒乓球之附近後，便會啟動吸球裝置，將乒乓球從地上吸入至壓克力容器內。
3. 歸位放球：當乒乓球的個數到達一定的數量或是搜尋不到乒乓球時，機器人會自動從撿球模式切換至歸位模式，搜尋集球站的位置，並且將球倒入集球箱內。
4. 避開打球區域：為了防止機器人妨礙球員打球，打球區域以黑線圍住，機器人會偵測黑線而不闖入。

一開始機器人會先搜尋乒乓球的位置（state=1），當發現乒乓球時則會切換到撿拾乒乓球的功能（state=2），撿拾完後則又回到搜尋球的功能（state=1）。若在搜尋的過程中，遇到障礙物或是打球區的黑線，則會進行避障的功能（state=3），而壓克力盒裡的乒乓球滿了，則機器人會切換到歸位集球的功能（state=4）。由以上的有限狀態機可以完整的呈現機器人撿拾乒乓球、避障、歸位倒球等功能。
本作品之實際外觀，硬體配置如下：機器人底盤下有兩個直流馬達帶動的輪子，另有兩個被動輪子用來帶動機器人。壓克力容器置於機器人的正上方，當作儲存球的空間，又在壓克力上方切出圓形缺口並且安裝一顆強力直流馬達，負責抽氣使得容器產生負壓吸力。機器人的視覺CCD，安裝在機器人的正前方，使機器人具有左右搜尋乒乓球的功能。而觸碰感測器裝置在機器人的斜前方，用來感測在撿球時是否有碰撞到障礙物。紅外線接收裝置也是置於壓克力的上方，負責接收從集球站所發射出來的訊號，讓球滿時機器人能自動回到集球站倒出球。我們也在機器人的左右兩側以及後側設置自行設計的觸碰邊條，目的是也是為了偵測避開左右之障礙物，後方邊條是用來負責控制何時需要將球釋放到集球盒裡。而為了讓機器人不妨礙到打桌球的人，我們限制了機器人的撿球區域經由底盤下的感測器CNY70對黑線的偵測，機器人將不會誤入由黑線圍起的打球區，使打球的人能盡興的運動而不受到機器人的影響。最後為電源配置部分，本作品一共使用3組電源供應，一組做為微處?器晶片供應的動??源，一組當作直流馬達的驅動電壓，最後一組負責感測器的電壓。電源使用每片3.7V/1200mAh的鋰電池。
整個機器人系統將以微處理器為控制中心，配合輪型機器人的運動原理，再加上CCD影像擷取裝置，利用BASIC STAMP軟體程式來執行影像處理及移動控制演算法，實現機器人撿?乒乓球的動作。

其中以BS2p單晶片為控制中心，配合影像擷取裝置CMUcam抓取乒乓球影像，再以PIC micro controller控制機器人的底盤直流馬達使其達到前進、後退及轉彎的功能。而AX-12馬達負責開啟壓克力盒門，IR sensor則負責機器人回歸集球站的定位功能。
此機器人的影像功能主要是辨識黃色的乒乓球，影像辨識程序包含了影像擷取、色彩空間轉換、色塊中心計算、及色塊像素大小。因為RGB色彩空間，比較容易受到外界光線的干擾，為了要減少影像受外界影響，因此需要把RGB色彩空間轉換成YCbCr色彩空間模型。而色塊中心計算可以知道球的方位、色塊像素大小可偵測球與機器人距離的遠近，再利用模糊控制法則，輸出PWM轉速信號控制直流馬達前進或轉彎。一顆乒乓球的重量約為4g，質量很輕，所以我們採用吸取的方式來做收集乒乓球的動作。為了不要過於消耗供應吸氣馬達的電量，只有在近距離靠近球，色塊像素大於所設定的門檻值時，才會將吸塵器啟動。當球已被撿光了，或是球的個數達到設定的數量之後，機器人會自動切換成歸位模式，將收集到的球釋放到指定集球盒中。以下四張照片分別顯示機器人在搜尋乒乓球、吸取乒乓球、自動歸位、倒出球於集球盒。

結論
本作品成功的以最小製作成本，設計出可以自行獨立運作的輪型機器人，運用了馬達控制、通訊協定、影像處理、感測器等領域，最後完成一部可以自動搜尋撿拾乒乓球、可以避障、以及回歸放球的人類好幫手－撿拾乒乓球機器人。
本機器人實際運作影片放在該實驗室網站上http://www.ee.ncu.edu.tw/~fuzzylab/