本論文提出一個基於粒子群最佳化演算法之運動學校正的方法來改善機械手臂的定位誤差與提升機械手臂的絕對精度。由於機械手臂在長時間使用後會有機械性偏移或是在機械手臂維修後會有精度誤差，這些現象將導致機械手臂末端點的實際姿態與命令姿態會有定位誤差，所以機械手臂之運動學校正是一個重要的研究議題。常用之機械手臂的運動學校正方法大部分利用定位誤差資訊來反推機械手臂的連桿長度誤差及關節角度誤差，然而機械手臂末端點的實際姿態是很難被直接測量出來。因此，本論文提出一個基於粒子群最佳化的方法來求機械手臂之D-H參數表上參數的近似最佳解，這個方法可以有效的減少D-H參數表上參數之實際值與理論值兩者之間的誤差。最後，一些實驗結果可以說明，本論文所提出之機械手臂運動學校正方法確實可以有效的減少機械手臂的定位誤差，進而提升機械手臂的絕對精度。

In this thesis, a kinematic calibration method based on a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is proposed to improve the position error and enhance the absolute accuracy of robot manipulator. The robot manipulator will have some precision error due to it works for a long time or after maintenance. They will cause some positioning errors between the actual posture of the end-effector of robot manipulator and the command posture. Thus, the kinematic calibration of the robot manipulator is an important topic. Most kinematic calibration methods for the robot manipulator use the reverse method to correct the link length error and the joint angle error of the robot manipulator. However, the actual posture of the end-effector of robot manipulator is difficult to be measured directly. Therefore, a PSO-based method is proposed to select approximate optimal values of parameters in the D-H parameter table for the robot manipulator. It can effectively reduce the error between the actual value and the theoretical value of the D-H parameter table. Finally, some experimental results are presented to illustrate that the proposed method can effectively reduce the positioning errors and enhance the absolute precision of the robot manipulator.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	V
表目錄	X
第一章 緒論	1
1.1 研究背景	1
1.2 研究動機與目的	5
1.3 文獻回顧	6
1.4 論文架構	7
第二章 機械手臂系統介紹	8
2.1 機械手臂機構設計	8
2.2 六軸機械手臂機構設計	10
2.2.1 六軸機械手臂力矩計算	12
2.2.2 六軸機械手臂機構	16
2.3 第五代機械手臂系統架構	27
第三章 機械手臂之運動學	37
3.1 機械手臂之運動學模型推導	37
3.2 正向運動學	41
3.3 逆向運動學	46
第四章 粒子群最佳化演算法於機械手臂校正之應用	52
4.1 粒子群最佳化演算法於機械手臂校正之應用簡介	52
4.2 粒子群最佳化演算法簡介	53
4.3 基於粒子群最佳化演算法之設計	58
第五章 實驗結果	69
5.1 MATLAB模擬機械手臂運動學參數校正	69
5.2 MATLAB模擬桌面量測點	77
5.3 末端點校正平台	82
第六章 結論與未來展望	90
參考文獻	91
獲獎經歷	94 
圖目錄
圖 1.1、各廠牌之工業型機械手臂	1
圖 1.2、目前業界知名各大廠牌之機械手臂	2
圖 1.3、人力於生産線上組裝智慧型手機	3
圖 1.4、鴻海富士康開發之機器人	4
圖 2.1、第五代機械手臂機構設計流程圖	11
圖 2.2、第五代機械手臂平舉的姿勢示意圖	12
圖 2.3、末端點往回推算第五軸馬達所承受力矩的示意圖	13
圖 2.4、末端點往回推算第三軸馬達所承受力矩的示意圖	14
圖 2.5、末端點往回推算第二軸馬達所承受力矩的示意圖	15
圖 2.6、第五代機械手臂至今歷代的3D CAD圖	16
圖 2.7、5B版與5C六軸機械手臂結構桿比較圖	18
圖 2.8、SHG型諧和式減速機輸入部與輸出部示意圖	20
圖 2.9、SHG (2SO) 諧和式減速機三個內部主要零件	21
圖 2.10、諧和式減速機原理示意圖	21
圖 2.11、SHG (2SO) 諧和式減速機的安裝須留意的部分	22
圖 2.12、5B版與5C第二軸的減速機輸入部與輸出部爆炸視圖	23
圖 2.13、5B版與5C版的機械手臂第二軸對照圖	24
圖 2.14、5C版的機械手臂之詳細尺寸規格與配置示意圖	25
圖 2.15、5C版機械手臂活動範圍之側視圖	25
圖 2.16、5C版機械手臂活動範圍之上視圖	26
圖 2.17、第五代機械手臂系統架構圖	27
圖 2.18、使用VS2008所開發的機械手臂人機介面	29
圖 2.19、機械手臂電控箱實體圖	30
圖 2.20、軸控卡與IO控制卡圖	31
圖 2.21、第五代機械手臂採用的各軸交流伺服馬達	32
圖 2.22、第五代機械手臂採用的各軸減速機	34
圖 2.23、兩指電動夾具之傳動機構實體圖	35
圖 2.24、兩指電動夾爪之電路實體圖	36
圖 3.1、zi-1與zi無共平面示意圖	38
圖 3.2、zi-1與zi互相平行示意圖	39
圖 3.3、zi-1與zi相交示意圖	39
圖 3.4、六軸機械手臂座標系配置	40
圖 3.5、正運動學系統方塊圖	41
圖 3.6、機械手臂末端點之兩指電動夾具的三個方位向量	43
圖 3.7、尤拉角pitch-roll- yaw的旋轉示意圖	43
圖 3.8、逆運動學系統方塊圖	47
圖 3.9、球型關節(spherical joint)	47
圖 3.10、運動學解耦合及手腕中心示意圖	48
圖 3.11、前三軸關節連桿的幾何關係圖	49
圖 4.1、粒子的移動方式示意圖	54
圖 4.2、粒子往最佳解移動的示意圖	55
圖 4.3、PSO演算法之流程圖	57
圖 4.4、基於粒子群最佳化演算法之設計流程圖	59
圖 5.1、機械手臂進行相同末端點位置3個不同姿態	70
圖 5.2、機械手臂進行相同末端點位置16個不同姿態	71
圖 5.3、粒子群最佳化演算法演化之末端點位置分布圖	72
圖 5.4、最佳的粒子的姿態作動後的3個末端點位置	73
圖 5.5、最佳的粒子的姿態作動後的16個末端點位置	73
圖 5.6、執行3個姿態PSO迭代之群體最佳解的收斂結果	74
圖 5.7、執行16個姿態PSO迭代之群體最佳解的收斂結果	74
圖 5.8、模擬執行桌面20個量測點觀察誤差的分布	78
圖 5.9、雷射位移感測器原理	84
圖 5.10、模擬末端點量測平台示意圖	84
圖 5.11、末端點量測平台的規格	85
圖 5.12、末端點量測平台與機械手臂原點的關係	86
圖 5.13、實際末端點量測平台	86
圖 5.14、量測球與雷射位移感測器的切平面示意圖	87
圖 5.15、當量測球偏離交點時的切平面示意圖	87
圖 5.13、PSO於機械手臂運動學校正系統架構圖	88
圖 5.14、機械手臂進行相同末端點位置但不同姿態的控制示意圖	89
 
表目錄
表 2.1、實驗室歷年所研製的機械手臂馬達比較表	9
表 2.2、實驗室歷年所研製的機械手臂馬達比較表	10
表 2.3、六軸機械手臂各部分的對應名稱	12
表 2.4、諧和式減速機與行星式減速機比較表	19
表 2.5、5B版與5C六軸機械手臂的第二軸減速機規格對照表	19
表 2.6、5B版與5C的六軸機械手臂整體對照表	26
表 2.7、工業電腦規格表	28
表 2.8、運動控制卡MC8881P規格表	31
表 2.9、第五代機械手臂所採用的伺服馬達規格表	32
表 2.10、各軸交流伺服馬達驅動器	33
表 2.11、第五代機械手臂所採用的減速機規格表	34
表 2.12、兩指電動夾爪之硬體規格表	35
表 3.1、六軸機械手臂之D-H參數表	40
表 3.2、D-H參數及說明	41
表 4.1、估測的機械手臂連桿參數表	63
表 5.1、粒子群最佳化演算法參數初始設定之各項參數表	72
表 5.2、理論的機械手臂D-H連桿參數表	75
表 5.3、模擬實際的機械手臂D-H連桿參數表(含有未知誤差)	75
表 5.4、估測的機械手臂D-H連桿參數表模擬3個姿態結果	76
表 5.5、估測的機械手臂D-H連桿參數表模擬16個姿態結果	76
表 5.6、PSO演算法之D-H連桿參數模擬3個姿態結果	77
表 5.7、PSO演算法之D-H連桿參數模擬16個姿態結果	77
表 5.8、模擬量測實際位置資訊(理論)	79
表 5.9、模擬量測實際位置資訊(3個姿態)	80
表 5.10、模擬量測實際位置資訊(16個姿態)	81
表 5.11、實驗結果之平均誤差與標準差	82
表 5.12、雷射位移感測器規格介紹	83

參考文獻
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[40]PSO初步粒子移動演算法精髓, URL: http://edisonx.pixnet.net/blog/post/81640299
[41]王侯禕，多足球機器人之策略設計，淡江大學電機工程學系博士論文，2008。(指導教授：翁慶昌)
[42]粒子移動參數設定技巧, URL: http://edisonx.pixnet.net/blog/post/81696261
[43]KEYENCE基恩斯, URL:http://www.keyence.com.tw/