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系統識別號 U0002-1609201901385100
中文論文名稱 三指夾爪系統的電路設計與實現
英文論文名稱 Circuit Design and Implementation of Three-Finger Gripper System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical And Computer Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 謝勵志
研究生英文姓名 Hsieh Li Chih
學號 700440141
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-07-16
論文頁數 42頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-龔宗均
委員-陳珍源
委員-翁慶昌
中文關鍵字 三指夾爪  PCB  DIP  SMD 
英文關鍵字 Three-Finger Gripper  PCB  DIP  SMD 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文提出三指夾爪系統所需之電路板的設計與實現方法,主要有三種:(1)夾爪控制電路板、(2)馬達驅動電路板、以及(3)感測器電路板。在夾爪控制電路板的設計與實現上,本論文提出一些有效縮小電路板體積的設計方法,將部分DIP型式之連接器零件改為SMD型式來縮小尺寸,同類型的訊號整合在一個連接器上,將所有的電子零件縮小化,將PCB電路板的疊構從二層板改為四層板的設計,PCB電路板多出二層的空間可以用來佈線,使得PCB電路板表面的零件排放的更加緊密,不同種類的訊號互相干擾的情形也會減少,有效的縮小PCB電路板尺寸。在馬達驅動控制電路板的設計與實現上,本論文提出選用功能比較簡單但足以滿足控制系統直流無刷馬達的需求,體積較小價格低的控制IC可以達到降低成本以及縮小空間的需求。在旋轉編碼器電路板的設計與實現上,本論文提出使用增量型編碼器來取代絕對型編碼器,其訊號容易轉換為運動相關的資訊,使得控制上更為方便,更為適合用在夾爪系統的應用。在實驗中使用電子儀器來量測電路板上電源轉換器的品質,對電路板上的各種控制訊號進行分析,確認訊號波形以及時序符合標準的規範。從實驗結果以及實際的成品中可以看出,本論文所提出的方法確實可以有效達成電路板縮小化,將各種電路板體積縮小化後使得系統整合的工作會更加容易,並且能夠將所有實現的電路板放置在夾爪系統的機構內部,完成一體化的設計。
英文摘要 In this thesis, the circuit boards required for the three-finger gripper system are designed and implemented. There are three main types: (1) the gripper control circuit board, (2) the motor drive circuit board, and (3) the sensor circuit board. In the design and implementation of the gripper control circuit board, several design methods are proposed to effectively reduce the board size, and replace some DIP type connector parts with SMD type to reduce the size. The same type of signal is integrated into one connector. Moreover, all the electronic components are reduced, and the stacking of the PCB circuit board design is changed from the two-layer board to the four-layer board. The PCB board has two more layers of space that can be used for wiring so that the parts on the surface of the PCB board are discharged more closely, and the interference of different types of signals is also reduced. These can effectively reduce the size of the PCB board. In the design and implementation of the motor drive control circuit board, a control IC with a relatively simple function but sufficient to meet the requirements of the DC brushless motor of the control system is used. It is a small and low-cost control IC, which can reduce the cost and reduce the space. In the design and implementation of the rotary encoder circuit board, an incremental encoder instead of an absolute encoder is used. The signal is easily converted into motion-related information, which makes the control more convenient and more suitable for use in the application of the gripper system. In the experiment, electronic instruments are used to measure the quality of the power converter on the board, and various control signals on the board are analyzed to confirm that the signal waveform and timing conformed to the standard specifications. It can be seen from the experimental results and the actual finished products that the proposed method can effectively achieve the reduction of the board. The reduction of various circuit boards will make the system integration work easier and can let all the implemented boards be placed inside the mechanism of the gripper system to complete the integrated design.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 論文架構 2
第二章 三指夾爪之系統架構 3
2.1 三指夾爪系統架構 3
2.2 欠驅動手指 5
2.3 手指傳動機構 7
2.4 夾取模式轉換平台 7
2.5 馬達致動器 8
2.6 馬達驅動電路 9
2.7 夾爪控制電路 10
2.8 感測器電路 11
第三章 電路設計流程與分析 14
3.1 電路板設計流程 14
3.2 電路設計開發軟體 16
3.3 印刷電路板 18
3.4 印刷電路板設計流程 21
3.5電路測試量測 26
第四章 三指夾爪系統的電路改進 30
4.1馬達驅動電路之改進 30
4.2夾爪控制電路之改進 32
4.3感測器電路之改進 35
第五章 實驗結果 37
第六章 結論與未來展望 39
6.1結論 39
6.2未來展望 39
參考文獻 42


圖目錄
圖2.1、三指夾爪系統架構圖 3
圖2.2、第三代欠驅動手指運動狀態模擬圖 6
圖2.3、手指傳動機構圖 7
圖2.4、三種夾取模式 8
圖2.5、三種夾取模式應用情境 8
圖2.6、馬達驅動電路功能方塊圖 10
圖2.7、夾爪控制電路功能方塊圖 11
圖2.8、I2C訊號輸出款感測器電路功能方塊圖 12
圖2.9、A/B正交訊號輸出款感測器電路功能方塊圖 12
圖2.10、AS5601 A/B正交訊號輸出示意圖 13
圖3. 1、電路設計流程圖 15
圖3.2、OrCAD Capture線路繪圖介面示意圖 17
圖3.3、Allegro PCB Design電路板佈線介面示意圖 17
圖3.4、四層PCB板示意圖 18
圖3.5、三種VIA示意圖 19
圖3.6、HDI PCB示意圖 20
圖3.7、四層板PCB stack-up示意圖 22
圖3.8、USB佈線規則示意圖 23
圖3.9、Ripple & Noise示意圖 27
圖3.10、石英晶體轉換RLC等效電路圖 27
圖3.11、Counter量測頻率圖 28
圖3.12、UART信號示意圖 29
圖3.13、I2C信號示意 29
圖5.1、第二版夾爪控制電路功能方塊圖 38
圖6.1、整合電路功能方塊圖 40


表目錄
表2. 1、實驗室歷年所研製的三指夾爪比較表 5
表2. 2、直流無刷馬達規格 9
表3.1、銅箔厚度及寬度相對電流關係表 25
表3.2、VIA孔徑相對電流關係表 26
表4.1、第二代與第三代馬達驅動電路板比較表 31
表4.2、第二代與第三代馬達驅動電路之晶片比較表 31
表4.3、第二代與第三代夾爪控制電路板比較表 33
表4.4、第二代與第三代被動元件之尺寸比較表 34
表4.5、第二代與第三代感測器電路板 35
表4.6、第二代與第三代感測器規格比較表 36
表5.1、AS5601解析度設定表 38
表6.1、微控制器差異表 40
表6.2、整合電路零件差異表 41
參考文獻 參考文獻
[1] 張瀚升,自適應三指夾爪及其模糊控制器設計,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2015。
[2] Maxon, URL: https://www.maxongroup.com.tw/
[3] STMicroelectronics, URL: https://www.st.com/content/st_com/en.html
[4] Texas Instruments, URL: http://www.ti.com/
[5] AMS, URL: https://ams.com/
[6] OrCAD, URL: https://www.orcad.com/
[7] Allegro PCB Designer, URL: https://www.cadence.com/
[8] 金百澤技術分享:https://kknews.cc/design/g2446pe.html
[9] 電子製造,工作狂人, URL: https://www.researchmfg.com/2011/07/pth-blind-hole-buried-hole/
[10] HDI PCB,這文章告訴你什麼是一階,二階PCB?,URL: https://kknews.cc/tech/8e2rel.html
[11] Ripple & Noise 量測方法, URL: http://www.idrc.com.tw/big5_ver/menu/tec_ripple.htm
[12] 維基百科 石英振盪器, URL: https://zh.wikipedia.org/wiki/石英晶体谐振器
[13] 維基百科 UART, URL: https://zh.wikipedia.org/wiki/UART
[14] 維基百科 I2C, URL: https://zh.wikipedia.org/wiki/I²C
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