本論文之主要目的在於設計與實現一個冗餘機械手臂的運動控制最佳化，讓機械手臂可以透過運動控制最佳化的方式迴避關節極限，增加機械手臂穩定性。本論文主要有二個部分：(1)冗餘機械手臂以及(2)運動控制最佳化。在冗餘機械手臂上，本論文使用Dynamixel PRO系列的馬達，其具有體積小，輸出比高的特性，因此適合使用在非工業用型的手臂上。此外，為了讓機械手臂能夠具有更大的活動空間，在連桿配置方面，本論文採用偏軸方式設計機械手臂的連桿機構。在運動控制最佳化上，本論文提出一個藉由自行設計的關節極限程度評估函數來計算各關節的極限程度後給予分數高低，再將三種狀態的冗餘角度變化量分別代入關節極限程度評估函數，從中選取分數最高的狀態作為下一刻的冗餘角度變化量，藉此達到迴避關節極限的目的。在實驗結果上，使用模擬的曲線圖來呈現使用與未使用運動控制最佳化的情況下各關節的角度，經過曲線圖的比較來證實機械手臂在使用此迴避關節極限函數及冗餘角度變化量的運動控制最佳化下確實可以增進手臂運行時的穩定性。

The main purpose of this thesis is to design and implement a motion control optimization of a redundant robot manipulator, and let robot manipulator to avoid the joint limit to increase the stability of the robot manipulator by motion control optimization. There are two main parts: (1) redundant robot manipulator and (2) motion control optimization. In the redundant robot manipulator, this thesis uses the motors of Dynamixel PRO series, which have a small size and high output ratio, so that they are suitable for using on non-industrial manipulators. In addition, in order to let the robot manipulator have a larger motion space, in the aspect of the link configuration, this thesis uses the off-axis method to design the linkage mechanism of the robot manipulator. In the motion control optimization, this thesis uses the self-designed joint limit degree evaluation function to give a reward by calculating the limit degree of each joint, and put the redundant angle change amount of three states into the joint limit degree evaluation function. The state with the highest reward is selected as the redundant angle change amount of the next moment, thereby achieving the purpose of avoiding the joint limit. In the results of the experiment, the simulated graph is used to present the angles of the joints in the case of using or not of the motion control optimization. Through the comparison of the graphs, it is confirmed that it is indeed to improve the stability of motion for robot manipulator when using the avoidance joint limit function and the motion control optimization of redundant angle change amount.

目錄
中文摘要	Ⅰ
英文摘要	Ⅱ
目錄	III
圖目錄	V
表目錄	VII
符號對照表	VIII
第一章 緒論	1
1.1 研究背景與動機	1
1.2 論文架構	3
第二章 冗餘機械手臂系統介紹	4
2.1 冗餘機械手臂之硬體規格	4
2.2 冗餘機械手臂之系統架構	6
第三章 冗餘機械手臂運動學	9
3.1 七自由度冗餘機械手臂運動學	12
第四章 冗餘機械手臂軌跡規劃	36
4.1 工作空間的軌跡規劃	36
4.2 零空間之運動控制最佳化	41
第五章 實驗結果	46
5.1 冗餘機械手臂之迴避關節極限	46
第六章 結論與未來展望	50
6.1 結論	50
6.2 未來展望	51
參考文獻	52

圖目錄
圖1、各廠牌之冗餘機械手臂示例	2
圖2、七自由度冗餘機械手臂之結構示意圖	4
圖3、七自由度冗餘機械手臂之結構尺寸示意圖	5
圖4、冗餘機械手臂之系統架構	7
圖5、冗餘機械手臂模擬環境	8
圖6、本論文之尤拉角示意圖	11
圖7、冗餘機械手臂冗餘軸示意圖	13
圖8、冗餘度特性介紹	13
圖9、 與 無共平面示意圖	14
圖10、 與 互相平行示意圖	15
圖11、 與 相交示意圖之情況一	16
圖12、 與 相交示意圖之情況二	16
圖13、七軸機械手臂座標系配置	17
圖14、機械手臂關節及連桿參數示意圖	20
圖15、球型關節	21
圖16、冗餘圓之圓心示意圖	22
圖17、手肘關節(第四軸)解法的示意圖	25
圖18、第一、二軸解法的示意圖	26
圖19、第三軸解法示意圖	27
圖20、冗餘度計算示意圖	33
圖 21、二維平面兩向量插值	39
圖22、反向線性球面插值	40
圖23、須進行反向姿態軌跡規劃之情形	41
圖24、關節極限程度評估示意圖	44
圖25、冗餘角度變化量之流程圖	45
圖26、個關節角度回授圖	48

表目錄
表1、冗餘機械手臂之硬體規格表	5
表2、冗餘機械手臂之機械手臂馬達硬體規格表	6
表3、四種D-H參數及說明	17
表4、七自由度冗餘機械手臂D-H連桿參數表	17
表5、機械手臂關節及連桿參數對照表	18
表6、腕關節奇異點測試之起終點	46

[1]	J.F. Engelberger, Robotics in Service, MIT Press, 1989.
[2]	George C. Devol, URL:https://en.wikipedia.org/wiki/George_Devol
[3]	Unimate #001, URL:https://www.robotics.org/joseph-engelberger/
unimate.cfm
[4]	DLR: http://www.dlr.de/
[5]	SCHUNK:http://mobile.schunk-microsite.com/en/produkte/
produkte/dextrous-lightweight-arm-lwa-4d.html
[6]	Barrett TechnologyInc: http://www.barrett.com/robot/index.htm
[7]	QUT Robot Academy: https://robotacademy.net.au/
[8]	P. Corke, “Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms In MATLAB® Second, Completely Revised,” Springer, 2017.
[9]	K.M. Lynch, and F.C. Park, “Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control,” Cambridge University Press, 2017.
[10]	蔡自興，機器人學，清華大學出版社，2009。
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[13]	賴宥澄，七自由度冗餘機械手臂的系統開發與運動控制設計，淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授：翁慶昌)，2016。
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