目前工作級水下潛具所搭載的液壓手臂常使用主從控制系統（Master-Slave control system）。主端（Master）係將液壓手臂的關節位置與連桿長度等比例縮小所製成的機構做為控制輸入，當操作者改變此機構的姿態，水下的液壓手臂也會跟著移動至操作者所要求的相同姿態。這個方式在主從機構上皆需有角度或位置編碼器，將從端液壓手臂回授訊號與主端控制器輸出訊號兩者之誤差值持續修正，誤差值降至容許範圍內後即表示手臂已到達目標位置。然而這一類型的機械手臂系統較為複雜，造價相對昂貴。單價比較便宜的水下液壓手臂未裝設任何回授裝置，因此操作方式是將各個自由度分別以搖桿或旋鈕作單軸控制。操作者必須經過長時間的訓練才能即時地判斷手臂欲到達某目標位置時各軸所需的轉動方向與轉動量。本研究透過攝影機擷取裝設於手臂基座、上臂末端與下臂的特徵點，估算手臂實際轉角作為回授訊號；並利用Jacobian矩陣將手臂的目標位移量轉換成各軸的目標轉角，將目標轉角與回授訊號作比對後即可修正下一次的手臂轉角量。操作員僅需判斷手臂末端致動器與目標物之間的相對位置，而非手臂各軸轉動角度，即可達到多軸同動的控制，改善不具回授裝置之液壓手臂操控性。

The manipulator control system used in the work-class ROVs (Remotely Operated Vehicles, ROVs) nowadays is the Master-Slave control system. The master side uses a small replica arm to control the underwater manipulator (Slave side). This kind of system is equipped with servo valve or proportional valve pack along with position-feedback provided by rotary encoder. When the operator changes the position of the master controller, it sends the position signal to the slave arm, and the position of the joints would be sensed and fed back to the master controller. The two positions are compared, and the required signal is sended to the valves to activate and adjust the position until the error is reduced to zero. However, the cost of the overall system is high and mass of the hydraulic section is too heavy for observation-class ROVs. The hydraulic manipulators without sensors and valves that can use servo control are lighter, yet, can only be able to move each joint separately through corresponded toggle switches or joysticks. This paper provides an image-based visual servo (IBVS) control system of 5-DOF underwater hydraulic manipulator. By utilizing the visual information we can calculate the actual angle of the joints, and feed back to the controller. On the other hand, introduce the inverse Jacobian matrix to convert the distance between target point and the end-effector of the manipulator into target angles of each joints. Thus, we can compare the two angle signals to adjust each joint of the arm at the same time.

論文審定書. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
致謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 研究目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
第二章相關原理與理論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 液壓系統原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 液壓元件介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 閥之驅動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3 液壓伺服控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 機械手臂運動學. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 手臂運動分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Jacobian 矩陣. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 影像處理技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 色彩空間轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 形態學運算子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 形心位置計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 感興趣區域（Area of interest） . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
第三章影像伺服系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 系統控制器架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 硬體設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 電磁閥之頻率調變. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 影像伺服控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
第四章實驗結果與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 速度調變. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 多軸同動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
第五章討論與結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 未來展望與建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

[1] Bluethmann, B., Ananthakrishnan, S., Scheerer, J., Faddis, T.N., and Greenway, R.B., 1995, “Experiment in Dexterous Hybrid Force and Position Control of a Master/Slave Electrohydraulic Manipulator,”Intelligent Robots and Systems - IEEE/RSJ International Conference, Vol. 3, pp.27 – 32
[2] Dunnigan, M.W., Lane, D.M., Clegg, A.C., and Edwards, I., 1996, “Hybrid position/ force control of a hydraulic underwater manipulator,”Systems Engineering for Automation, Vol. 143, No. 2, pp.145-151
[3] Lawrence, D.A., 1992,“Designing Teleoperator Architectures for Transparency”, International Conference on Robotics and Automation, Vol.2, pp.1406 - 1411
[4] Hildebrandt, M., Albiez, J., and Kirchner, F., 2008, “Computer-Based Control of Deep-See Manipulator,”OCEANS - MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean, p.1-6
[5] Moore, J.R., and Sweeney, J.S., 1968, Underwater Manipulator System, North American Rockwell , US3414136 A
[6] Craig J. J., 2005, Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Pearson Education International, 3rd Edition., pp.63-91
[7] Hashtrudi-Zaad, K., and Salcudean, E.S., 2002, ”Bilateral Parallel Force/Posistion Teleoperation Control”, Journal of Robotic Systems, Vol. 19, No. 4, p.155-167
[8] Goertz, R.C., Olsen, R.A., and Thompson, W.M., 1954,“Electronically Controlled Manipulator,” International Journal of Robotics Research, Vol.3, No. 4, pp. 21-50
[9] Robert, D.C., and Robert, L.W.Sr., 2014, The ROV manual: a user guide for remotely operated vehicles, Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier, USA, pp.504-527
[10] Hutchinson, S., Hager, G.D., and Corke, P.I., 1996, “A tutorial on visual servo control”, IEEE Transaction on Robotics and Automation, Vo. 12, No. 5, pp. 654-669
[11] Shirai, Y., and Inoue, H., 1973,“Guiding a robot by visual feedback in assembling tasks”, Pattern Recognition, Vol. 5, pp.99-108.
[12] Gonzalez, R.C., and Woods, R.E., 2002,Digital Image Processing, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 3rd Edition., pp.519-560
[13] Parker, J.R., 2011, Algorithms for Image Processing and Computer Vision, Wiley Publishing, Inc., Indiana, 2nd Edition., pp.85-136
[14] Yoshikawa T., and Sudou, A., 1993, “Dynamic Hybrid Position / Force Control of Robot Manipulator – On-Line Estimation of Unkown Constrain”, IEEE Transaction on Robotics and Automation., Vol. 2, pp.1231-1236
[15] Yokookohji Y., and Yochikawa T., 1994, “Bilateral Control of Master-Slave Manipulators for Ideal Kinesthetic Coupling-Formulation and Experiment”, IEEE TRANSACTION ON ROBOTICS AND AUTOMATION, Vol. 10, No. 5, pp.605-620
[16] 王建民。民國99 年。液壓與氣動控制技術。40。北京航天大學出版社。
[17] 伍柏勳（2011）。四軸水下機械手臂之開發。國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文。
[18] 呂淮熏，黃勝銘。民國94 年。氣液壓學。三版七刷。105-254。台北：高立。
[19] 林昭仁。民國75 年。液壓控制與實習。再版。38-89。台北：全華。
[20] 邱創標，劉清興，徐文輝。民國104 年。液氣壓原理及實習。全華。
[21] 洪敏偉（2006）。水下機械手臂之設計與製作。國立中山大學機械與機電工程學
系碩士論文。
[22] 高志堅。2009。多媒體技術及其應用。同濟大學出版社。
[23] 陳朝光, 郭興家。民國83 年。液壓控制與實習。五版。38-80。台北：三民。
[24] 張祖烈。民國93 年。液壓伺服控制。初版。27-162。台北：全威。
[25] 張哲豪（2010）。基於立體視覺之移動式機械臂影像伺服設計。國立交通大學電控工程研究所碩士論文。
[26] 葉秋城。民國84 年。影像處理與分析: 影像處理、計數、測量與分析。初版。台北：碁峰資訊。
[27] 楊德輝。民國84 年。油壓迴路設計與對策。初版。57-126。台北：全華。
[28] 蔡博仰（2007）。立體視覺伺服機器手臂之智慧追蹤控制的研究。中原大學機械工程學系碩士學位論文。
[29] 趙英良，董雪平。2009。多媒體技術及應用。西安交通大學出版社。
[30] 劉祐男（2009）。基於影像辨識之移動目標物追蹤與估測應用於無人直昇機。國立成功大學民航研究所碩士學位論文。
[31] 歐陽渭城。民國84 年。油壓基本原理及油壓回路設計。初版。1-1 - 3-22。台北：全華。
[32] 歐陽渭城。民國93 年。液壓基礎技術。初版。台北：全華。
[33] 冀宏。民國98 年。液壓氣壓傳動與控制。84。華中科技大學出版社。
[34] 鍾國亮。民國年101 年。影像處理與電腦視覺－ Image processing and computer vision。五版。台北：台灣東華。
[35] 魏廣炯。民國85 年。基本汽油壓學。初版。414-442。台北：徐氏基金會。