本論文發展移動機器手臂系統，應用在自動倉儲系統中輔助進行貨品挑揀的任務。此研究包含三個主要研究議題，包括移動機器手臂設計與實作、運動控制系統規劃、應用範例測試等。首先，依據機構外型需求，規劃設計機器手臂、移動平台、端效器的機構。其次，挑選適當馬達，規劃機器手臂與移動平台的電機驅動系統。再探討機器手臂與移動平台的運動學，以便運動控制之用。控制系統在機器人作業系統(ROS)環境中發展，以取用其開源與架構完整的特性。最後規劃移動機器手臂系統的實測範例，包括移動平台、機器手臂、端效器等個別模組的測試，以及整合移動機器手臂系統的挑揀任務測試等。

This thesis presents the development of a mobile manipulator system, which was used to assist the picking task in an automatic warehouse system.  Three major research topics were included in the research: design and implement of mobile manipulator system, development of motion control system, and implement of application examples. First, according to the design requirement of the mechanism, the mechanisms of robot manipulator, mobile platform, and the end effector were planned and designed. Second, the appropriate motors were selected for the drive system of the manipulator and mobile platform. Meanwhile, the kinematics of the manipulator and mobile platform were also analyzed for kinematic control purposes. The control system was developed in the Robot Operating System (ROS) environment to take advantage of its open source and architecture integrity. Finally, several application examples were carried out to validate the performance of the developed mobile manipulator system, including the performance tests of individual modules: the mobile platform, the robot manipulator, and the end-effector. The picking task of the integrated mobile manipulator system were also tested.

中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	V
表目錄	IIX
第1章 序論	1
1.1 研究動機與目的	1
1.2 文獻探討	2
1.3 研究範圍	3
1.3.1 機構外型與電機驅動設計	3
1.3.2 運動學分析與機器人作業系統	4
1.4論文架構	5
第2章 移動機器手臂外型設計	6
2.1 機器手臂設計概念	6
2.2 直立式裝設機器手臂	7
2.3 類人手裝設機器手臂	8
2.4 全方位移動平台	10
2.5 移動機器手臂系統	10
2.6 機構實作與組裝	18
2.7 手臂端效器設計	20
第3章 移動機器手臂驅動系統設計	23
    3.1 Robotis手臂驅動設計	23
    3.2 機器手臂馬達選擇	24
3.2.1 方均根力矩	25
3.2.2 第7軸馬達	26
3.2.3 第6軸馬達	28
3.2.4第5軸馬達	29
3.2.5 第4軸馬達	30
3.2.6 第3軸馬達	31
3.2.7 第2軸馬達	32
3.2.8 第1軸馬達	33
    3.3 七軸機器手臂馬達選用	34
3.4 全方位移動平台	35
3.4.1 全方位輪驅動馬達選用	35
3.4.2 滑軌驅動馬達選用	37
第4章 移動機器手臂運動學分析	39
4.1 六軸機器手臂正向運動學	39
4.2 七軸機器手臂正向運動學	41
4.3 工作空間分析	43
4.4 七軸機器手臂逆向運動學	44
4.5 四輪全方位機器人運動學	45
4.6 滑軌驅動控制	48
  第5章 機器人作業系統	49
5.1 機器人作業系統簡介	49
5.2 全方位移動平台	50
5.3 六軸機器手臂	51
5.4 滑軌	53
5.5手臂端效器	55
5.6整合移動機器手臂系統	55
第6章 移動機器手臂系統實測	57
6.1 移動平台遙控實測	57
6.2 機器手臂運動實測	59
6.3機器手臂夾取磚塊實測	67
6.4移動機器手臂夾取磚塊實測	70
第7章 結果與討論	72
7.1 研究成果	72
7.2 未來研究方向	72
參考文獻	74
附錄A Robotis Dynamixel Pro-H	76

圖目錄

圖1.1 亞馬遜公司的供貨倉儲(fulfillment warehouse)系統	2
圖1.2 移動機器手臂輔助挑揀貨品的任務	2
圖1.3 移動機器臂機構外型與驅動系統設計	4
圖1.4 機器人聯網	4
圖2.1 Robotis公司Manipulator-H機器手臂	6
圖2.2 直立式裝設工作範圍示意圖	7
圖2.3 類人手裝設工作範圍示意圖	7
圖2.4 六軸類工業手臂直立式裝設機構	8
圖2.5 重新設計的直接固定式馬達連接組件	8
圖2.6 第二軸與第三軸之間加入新的第三軸	9
圖2.7 類人手裝設的第六軸零件的長度修改	9
圖2.8 類人手裝設的七軸機器手臂	9
圖2.9 AndyMark6 吋麥克納姆輪	10
圖2.10 機器手臂機構的各視角圖	10
圖2.11 車輪中心間距為600mm	11
圖2.12 手臂上升至桌面高度(左)，手臂下降至地板高度(右)	11
圖2.13 東方滑軌EAS6Y-E085-AZMKD-3	12
圖2.14 自製滑軌透視圖	12
圖2.15 滑軌內部配置	12
圖2.16 鋁擠型支架與頂板	13
圖2.17 頂板取消，鋁擠型支架(左)，鋁板直接固定住滑軌(中)，鋁板固定架(右)	13
圖2.18東方DC步進馬達AZ69MKD-1與FLEX內藏定位功能型驅動器	13
圖2.19 聯軸器連接車軸剖面圖	14
圖2.20 專用聯接軸剖面圖	14
圖2.21 雙軸承C扣軸套	14
圖2.22 湯淺鉛蓄電池REC22-12	15
圖2.23 使用東方滑軌的重心位置(打X處)	15
圖2.24 使用自製滑軌的重心位置(打X處)	15
圖2.25 最終設計方案	16
圖2.26預留組裝孔位與走線孔位(左)，預留手臂走線(右)	16
圖2.27 手臂設置在平台中央點處	17
圖2.28 滑軌連接處設計	17
圖2.29 滑軌上軸承(左)與下軸承(右)	17
圖2.30 細部設計整合圖	17
圖2.31 車體馬達與輪軸組裝	18
圖2.32 滑軌組裝與車體結合	18
圖2.33 配電盤規劃與配線	18
圖2.34 電力規劃	19
圖2.35 設備配置規劃	19
圖2.36 設備配置規劃與上蓋平板	19
圖2.37 完成品	20
圖2.38 氣室示意圖與空氣流向示意圖	21
圖2.39 吸嘴橫向與縱向剖面圖	21
圖2.40 鈺邦機械真空幫浦JP-40V(RE)	21
圖2.41 真空幫浦放置版	22
圖2.42 吸嘴與吸取測試	22
圖3.1 線性加速度圖	25
圖3.2 伺服馬達力矩轉速圖	25
圖3.3 機器手臂第7軸	28
圖3.4 三次多項式軌跡	28
圖3.5 機器手臂第6軸	29
圖3.6 機器手臂第5軸	30
圖3.7 機器手臂第4軸	31
圖3.8 機器手臂第3軸	32
圖3.9 機器手臂第2軸	33
圖3.10 機器手臂第1軸	34
圖3.11 機器手臂整體	35
圖3.12 直流馬達DCX35L搭配行星減速機GPX42	36
圖3.13 步進馬達AZ69曲線圖	38
圖4.1 六軸直立式機器手臂的座標系統設定	40
圖4.2 六軸直立式機器手臂的尺寸	40
圖4.3 七軸類人手機器手臂的座標系統設定	42
圖4.4 七軸類人手機器手臂的尺寸	42
圖4.5七軸類人手機器手臂垂直平面工作空間	43
圖4.6滑軌位置示意圖	44
圖4.7 四輪全方位移動機器人	47
圖4.8 麥克納姆全方位輪	47
圖5.1 簡易機器人系統	49
圖5.2 四輪全方位機器人的ROS架構	51
圖5.3 六軸機器手臂的ROS架構	53
圖5.4 寄存器位址125(Dec)的bit3設為1	54
圖5.5 寄存器位址127(Dec)的bit14的值為1	54
圖5.6 夾爪端效器驅動電路	55
圖5.7 設備連線圖	56
圖5.8 ROS系統整體架構圖	56
圖6.1 FlashFire ACTION PAD BT-3000D 智慧型無線藍芽搖桿	57
圖6.2 (a)起始位置；(b)前進；(c)後退；(d)右移；(e)左移	57
圖6.3 (a)起始位置；(b)右斜上；(c)左斜下；(d)左斜上；(e)右斜下	58
圖6.4 原地旋轉(a) 順時針旋轉約25°；(b) 逆時針旋轉約15°	58
圖6.5 同時移動與轉彎的運動	58
圖6.6 初始位置的皮尺刻度與雷射測距儀數據	59
圖6.7 往上移動250mm後的皮尺刻度與雷射測距儀數據	60
圖6.8 往下移動50mm後的皮尺刻度與雷射測距儀數據	60
圖6.9 往下移動50mm兩次後的皮尺刻度與雷射測距儀數據	60
圖6.10 機器手臂的姿態與座標原點	61
圖6.11 機器手臂各軸0度姿態	61
圖6.12 各軸為0度的末端位置	62
圖6.13機器手臂的初始姿態	62
圖6.14 初始姿態的末端位置	63
圖6.15 機器手臂的預備吸取姿態	63
圖6.16 吸取姿態的末端位置	64
圖6.17 Z軸測試初始點	65
圖6.18 Z軸測試初始點上升150mm	65
圖6.19 Z軸測試初始點上升300mm	66
圖6.20 X軸測試初始點	66
圖6.21 X軸測試初始點往後100mm	67
圖6.22 X軸測試初始點往後200mm	67
圖6.23 待機姿態(左) 抓取姿態(中) 滑軌移動姿態(右)	68
圖6.24 往下到達高度後的吸取過程	68
圖6.25 滑軌上升	69
圖6.26 移動至桌面放置磚塊	69
圖6.27 離開桌面移動至待機姿態	69
圖6.28 手臂下降姿態	70
圖6.29 預備夾取姿態	70
圖6.30 吸取磚塊	70
圖6.31 回復移動姿態	70
圖6.32 平台後退後自轉	71
圖6.33 手臂下降	71
圖6.34 將磚塊放置於地面	71
圖6.35 回復初始姿態	71







表目錄
表2.1 吸嘴與吸取測試	21
表3.1 Manipulator-H資料表	23
表3.2 機器手臂力矩比較表(單位：Nm)	35
表3.3 直流馬達DCX35L規格表	37
表3.4 車輪扭力比較表(單位：Nm)	37
表3.5 步進馬達AZ69規格表	37
表4.1 六軸直立式DH參數表	40
表4.2 七軸類人手機器手臂DH參數表	42
表4.3 七軸機器手臂極限參數表	42
表4.4 標準全方位輪配置參數表	47
表6.1 機器手臂精度實驗數據表	64

[1]	The unstructured environments in Amazon fulfillment warehouse, http://amazonpickingch allenge.org/ amazon_pick.png (accessed on December 20, 2016)
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[3]	Amazon Robotics, website, https://www.amazonrobotics.com/#/ (accessed on December 1, 2016)
[4]	Amazon Picking Challenge, website, http://amazonpickingchallenge.org/ (accessed on December19, 2016)
[5]	Hilare 2bis, website, http://homepages.laas.fr/matthieu/robots/h2bis.shtml
[6]	Little Helper, website, http://www.intorobotics.com/autonomous-industrial-mobile-manipulators- flexibility-in-industry-with-unlimited-workspace/
[7]	MEKA Robotics, website, http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/meka-robotic s-announces-mobile-manipulator-with-kinect-and-ros
[8]	Toyota HSR(Human Support Robot), website, http://www.toyota-global.com/innovation/partner _ robot/family_2.html
[9]	Rollin' Justin, website, http://en.wikipedia.org/wiki/Justin_(robot)
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[11]	Robot Operating System, website, http://www.ros.org/
[12]	Robotis Manipulator-H, website, http://www.robotis.us/robotis-manipulator-h/
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[20]	直得科技全系列標準型四列式滾珠線性滑軌, website, http://www.chieftek.com/chinese/ product-arhr.asp
[21]	精浚科技滾珠螺桿FSU Type , website, http://www.ome.com.tw/product-introduction/ 6-staf2/6-ball-screw
[22]	東方步進馬達 AZ系列 DC電源輸入FLEX內藏定位功能型, website, https://www. orientalmotor.com.tw/products/st/astep_azdcflex_f/
[23]	王聖懋，2017，視覺回授控制應用於桌球機器手 Visual feedback control for table tennis robot arm，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文。
[24]	周文成，CREO Parametric快速上手：應用入門與進階，2013，新文京開發出版股份有限公司。
[25]	maxon直流馬達DCX35L, website, http://www.maxonmotor.com.tw/maxon/view/product/ motor/dcmotor/DCX/DCX35/DCX35L01GBKL511
[26]	maxon行星減速機GPX42, website, http://www.maxonmotor.com.tw/maxon/view/product/ gear/planetary/GPX/GPX42/GPX42-3-Stufig-C/GPX42C3ST0156
[27]	misimi三住技術文件http://shifeng7817121.myweb.hinet.net/images/technical/information/ in-05.pdf
[28]	Sciavicco, L. and B. Siciliano, 1996, Modeling and Control of Robot Manipulators, 2nd ed., Springer.
[29]	Hamid Taheri, Bing Qiao, Nurallah Ghaeminezhad, 2015, Kinematic Model of a Four Mecanum Wheeled Mobile Robot, International Journal of Computer Applications, Vol.113, no.3, pp.6-9.
[30]	ROS turtlesim, website, http://wiki.ros.org/turtlesim
[31]	ROS ROBOTIS-Framework Manipulator-H, website, http://wiki.ros.org/ROBOTIS-MANIPULA TOR-H
[32]	台灣東方馬達股份有限公司, AZ系列內藏定位功能型驅動器使用說明書HM-60264C。