本論文設計與實現一個基於模糊力量控制之六自由度機械手臂的順應性控制系統，透過位於機械手臂末端點的力量感測器，使機械手臂可以實現順應性的功能來承受外力的干擾，並且與環境維持一個固定力量值。在所提出的系統架構中，巴特沃斯濾波器用來濾除雜訊，力量感測器用來感測三軸力量資訊，模糊控制器依據所得到之三軸力量資訊來控制與環境接觸的力道，阻抗控制器則依據模糊控制器之力量控制信號來控制校正位置，而模糊彈簧係數控制器則依據力量值及力量的變化值來計算和更改彈簧係數，來更精準地達到所需求的位置輸出。在實驗部分，本論文比較單純阻抗控制及加入力量控制器與模糊彈簧係數控制器之阻抗控制的控制效果，透過力量誤差的比較，可知本論文所提出的方法確實可增進順應性控制效果，並減少因為校正等問題所帶來的誤差。

In this thesis, a compliance control system of a six-axis robot manipulator based on a fuzzy force control is designed and implemented. Through the force/torque sensor located at the end of robot manipulator, the robot can achieve the function of compliance to withstand external disturbance and maintain a fixed force value with the environment. In the proposed system architecture, Butterworth filter is proposed to filter out the noise, the force/torque sensor is used the sense the three-axis force information, the fuzzy controller based on the obtained three-axis force signal is proposed to control the force to contact with environment, the impedance controller based on the force control signal obtained by fuzzy controller is used to control the correction position, and the fuzzy parameter K controller based on the force value and the change value of force is proposed to calculate and change the parameter K to achieve the desired position output more precisely. In the experimental part, the control performance between the pure impedance control and the impedance control with the force control and the fuzzy parameter K controller is compared. Through the comparison of the force error, it can be concluded that the proposed method can improve the compliance control effect and reduce the error caused by the correction and other issues.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	VI
表目錄	IX
參數對照表	X
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 機械手臂系統介紹	4
2.1 機械手臂之機構與關節配置	4
2.2 機械手臂之硬體規格與硬體系統架構	6
2.3 機械手臂之軟體系統與控制介面	8
2.4 硬體設備的規格與效能	8
2.4.1硬體控制平台	9
2.4.2運動控制卡與I/O控制卡	10
2.4.3伺服馬達與驅動器	11
2.4.4減速機	13
2.4.5兩指電動夾爪	14
2.4.6六軸力量感測器	17
第三章 機械手臂之運動學基礎理論	18
3.1 D-H連桿參數表	18
3.1.1 Zi-1與Zi無共平面	19
3.1.2 Zi-1與Zi相互平行	19
3.1.3 Zi-1與Zi相交	20
3.2 正向運動學	22
3.3 逆向運動學	27
3.3.1位置逆向運動學	28
3.3.2方位逆向運動學	30
第四章 順應性控制	32
4.1 順應性控制系統架構	32
4.2 巴特沃斯低通濾波器於力量控制之應用	34
4.3 模糊控制器基本架構	37
4.4 力量控制器	39
4.5 阻抗控制器	44
4.5.1 參數比較	45
4.5.2 系統架構及參數調整	48
第五章 實驗結果	54
5.1 與環境面的順應能力分析	54
5.2 不同方法及設定不同力量值的繪圖比較	58
第六章 結論與未來展望	60
6.1 結論	60
6.2 未來展望	61
參考文獻	62
 

 



 


















圖目錄
圖2.1、六自由度機械手臂之外觀實體圖	5
圖2.2、機械手臂之各軸馬達及減速機的配置及其尺寸圖	5
圖2.3、機械手臂之硬體系統架構圖	7
圖2.4、機械手臂的主控程式介面	8
圖2.5、工業電腦IPC-5120實體圖	9
圖2.6、運動控制卡MC8881P實體圖	10
圖2.7、I/O控制卡LEAPIO48實體圖	11
圖2.8、I/O控制卡LEAPIO48之轉接板實體圖	11
圖2.9、PANASONIC公司之AC伺服馬達實體圖	12
圖2.10、機械手臂之各軸減速機的實體圖	14
圖2.11、兩指電動夾爪之傳動機構的實體圖	15
圖2.12、兩指電動夾爪之訊號控制電路板的外觀實體圖	16
圖2.13、六軸力量感測器ROBOTIQ FT 150之實體圖	17
圖3.1、Zi-1與Zi無共平面的示意圖	19
圖3.2、Zi-1與Zi相互平行的示意圖	20
圖3.3、Zi-1與Zi相交之狀況一的示意圖	20
圖3.4、Zi-1與Zi相交之狀況二的示意圖	21
圖3.5、六自由度機械手臂之座標系配置	21
圖3.6、機械手臂之兩指電動夾爪的三個方位向量	24
圖3.7、尤拉角之旋轉示意圖	24
圖3.8、球型關節	27
圖3.9、運動學解耦合的示意圖	28
圖3.10、前三軸之關節連桿的幾何關係圖	29
圖4.1、順應性控制之系統流程圖	33
圖4.2、順應性控制之系統架構圖	34
圖4.3、六軸力量感測器回授圖	34
圖4.4、頻域分析圖	36
圖4.5、力量感測器Z軸訊號之原始訊號與濾波後訊號比較圖	36
圖4.6、模糊控制器之系統架構	37
圖4.7、力量控制器之架構圖	39
圖4.8、輸入變數Fe之歸屬函數	41
圖4.9、輸入變數Fed之歸屬函數	41
圖4.10、輸出變數Fc之歸屬函數	41
圖4.11、模糊控制器之力量追蹤示意圖	43
圖4.12、阻抗之物理模型示意圖	44
圖 4.13、力量感測器安裝於機械手臂之實體圖	44
圖4.14、質量係數改變之比較圖	46
圖4.15、阻尼係數改變之比較圖	47
圖4.16、彈簧係數改變之比較圖	48
圖4.17、阻抗控制器之系統架構圖	50
圖4.18、輸入變數FKe之歸屬函數	52
圖4.19、輸入變數FKed之歸屬函數	52
圖4.20、輸出變數K之歸屬函數	52
圖 5.1、平面鋼板與相差5度之斜面鋼板的實驗環境	54
圖 5.2、實驗環境旋轉45度示意圖	55
圖 5.3、實驗路徑示意圖	56
圖 5.4、具有力量模糊控制器及模糊彈簧係數K控制器之阻抗控制的效果圖	56
圖 5.5、三種阻抗控制之力量回授的比較圖	57
圖 5.6、使用未調整過參數的阻抗控制繪製一條直線的結果圖	58
圖 5.7、使用調整過系統參數的阻抗控制繪製一條直線的結果圖	59
圖 5.8、使用具有力量模糊控制器及模糊彈簧係數K控制器的阻抗控制繪製一條直線的結果圖	59

 

表目錄
表2.1、機械手臂之硬體系統規格表	6
表2.2、機械手臂之各關節的硬體規格表	6
表2.3、工業電腦IPC-5120的規格表	9
表2.4、運動控制卡MC8881P的規格表	10
表2.5、各軸AC伺服馬達的規格表	12
表2.6、各軸AC伺服馬達驅動器的規格表	12
表2.7、機械手臂各軸減速機的規格表	14
表2.8、兩指電動夾爪的規格表	15
表2.9、馬達驅動電路之驅動晶片的外觀實體及規格表	16
表2.10、ROBOTIQ FT 150之詳細規格	17
表3.1、D-H連桿參數說明	21
表3.2、六自由度機械手臂之D-H連桿參數表	22
表 4.1、力量模糊控制器之模糊規則庫	42
表4.2、任務期望力量表	43
表 4.3、阻抗控制之系統參數調整的順序表	49
表 4.4、模糊彈簧係數控制器之規則庫	53

[1]	余家潤，機械手臂之關節空間與工作空間的軌跡規劃，淡江大學電機工程學系博士論文(指導教授：翁慶昌)，2015。
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[4]	FANUC Robotics, URL: http://www.fanucrobotics.com
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[6]	游翔麟，基於模糊力量感測之六軸機械手臂的直覺式教導，淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授：翁慶昌)，2015。
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[16]	研華科技股份有限公司之工業電腦IPC-5120：
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[17]	和椿科技股份有限公司之八軸軸控卡MC8881P：
http://www.aurotek.com.tw/TW/
[18]	力浦電子股份有限公司之IO控制卡LeapIO48：
http://www.leap.com.tw/
[19]	松下伺服馬達與驅動器:
http://industrial.panasonic.com/ww/products/motors-compressors/fa-motors/ac-servo-motors
[20]	NABTESCO行星式減速機：
http://www.kuangho.com.tw/chinese/nabtesco.html
[21]	Harmonic Drive諧和式減速機：
http://www.shijou.com.tw/hds/hd/main.html
[22]	ROBOTIQ FORCE TORQUE SENSORS :
http://robotiq.com/products/robotics-force-torque-sensor/
[23]	J. J. Craig, Introduction to Robotics: Mechanics and Control, 3rd Ed., New York, NY, USA: Prentice Hall, 2004.
[24]	M. W. Spong, S. Hutchinson, and M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control, 2nd Ed., John Wiley & Sons, 2004.
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[26]	張智星，MATLAB程式設計入門，碁峰資訊股份有限公司，2015。