本論文實現一個具有兩個七自由度機械手臂之雙臂機器人及其運動控制系統，並提出一個碰撞偵測方法來提升雙臂機器人於運動控制時的安全性。主要分為三個部分：(1)雙臂機器人之運動學、(2)雙臂機器人之運動控制以及(3)碰撞偵測。在雙臂機器人之運動學的部分，本論文首先定義七自由度機械手臂之冗餘度，以解決在逆運動學求解過程會有無限解的問題，然後再以本論文提出的一個座標空間轉換方法，將雙臂機器人之左右手臂的目標命令，可藉由七自由度機械手臂之運動學來求解。在雙臂機器人之運動控制的部分，本論文提出一個可將機械手臂各關節達到運轉同步的方法，讓雙臂機器人在運作時，使其機械手臂之末端的運動軌跡可以更加穩定。而在碰撞偵測的部分，本論文首先定義機械手臂之連桿為線段，使機械手臂之連桿的碰撞偵測變為空間中各線段的距離檢測。然後藉由正運動學來推算各關節的位置，得出各連桿之線段方程式，並結合運動控制所規劃之各軸的速度及位移，得知各連桿在空間中的運動情形，再對其運動於空間中的相對關係進行分析，即可求得連桿間是否會有碰撞的情形發生。在實驗結果的部分，本論文以一些模擬實驗結果來驗證所提出之基於機械手臂之運動學的雙臂機器人之運動學以及運動控制之方法的整合確實可以讓所自行開發之雙臂機器人具有不錯的控制效果，而所提出之碰撞偵測的演算法亦確實可以讓雙臂機器人具有無碰撞的能力。

In this thesis, a dual-arm robot based on two 7-DOF redundant robot manipulators motion control system is implemented, and a dual-arm robot collision detection method is proposed to enhance the security of motion control. It contains three main parts: (1) kinematics of dual-arm robot, (2) motion control of dual-arm robot, and (3) collision detection. In kinematics of dual-arm robot, redundancy of 7-DOF robot manipulator is defined to solve the problem of infinite solution in the inverse kinematics solution process in this thesis. Then, with a coordinate space transformation method proposed in this thesis, the command of left and right arms of dual-arm robot can solve by kinematics of 7-DOF robot manipulator. In motion control of dual-arm robot, this thesis proposed a method to synchronize joints of robot manipulator, so that trajectory of the end of robot manipulator can be more stable when the dual-arm robot is operated. In collision detection, this thesis first defined the links of robot manipulator as lines segment, so that collision detection of the links is regarded as distance detection of each line segment. After that, line segment equation of each link is obtained by calculating the position of each joint with forward kinematics, combined the information of velocity and displacement, and it would obtain links movement situation, then the relationship between links in the space can be analyzed to detect the robot manipulators whether collide with each other or not. In the experiment results, this thesis uses simulation to verify the proposed kinematics and motion control method can make the dual-arm robot have a good control effect, and the proposed collision detection algorithm can indeed make the dual-arm robot achieve collision-free.

目錄
中文摘要	Ⅰ
英文摘要	Ⅱ
目錄	III
圖目錄	V
表目錄	VIII
符號對照表	IX
第一章 緒論	1
1.1 研究背景與動機	1
1.2 論文架構	4
第二章 雙臂機器人系統介紹	5
2.1 雙臂機器人之機構與關節配置	5
2.2 雙臂機器人之硬體規格與系統架構	7
第三章 雙臂機器人運動學	10
3.1 七自由度冗餘機械手臂運動學	13
3.2 雙臂機器人運動學	34
第四章 運動控制與碰撞偵測	40
4.1 梯形速度曲線	40
4.2 關節同步軌跡規劃	47
4.3 碰撞偵測	55
第五章 實驗結果	63
5.1 雙臂機器人關節同步	63
5.2 雙臂機器人之碰撞偵測	65
第六章 結論與未來展望	71
6.1 結論	71
6.2 未來展望	72
參考文獻	73
 
圖目錄
圖1.1、各廠牌之雙臂機器人示例	2
圖2.1、七自由度冗餘機械手臂之結構示意圖	5
圖2.2、七自由度冗餘機械手臂之結構尺寸示意圖	6
圖2.3、雙臂機器人圖	6
圖2.4、雙臂機器人活動範圍圖	7
圖2.5、雙臂機器人之系統架構	9
圖3.1、本論文之尤拉角示意圖	12
圖3.2、冗餘機械手臂冗餘軸示意圖	14
圖3.3、冗餘度特性介紹	14
圖3.4、Zi-1與Zi無共平面示意圖	15
圖3.5、Zi-1與Zi互相平行示意圖	16
圖3.6、Zi-1與Zi相交示意圖之情況一	16
圖3.7、Zi-1與Zi相交示意圖之情況二	17
圖3.8、七軸機械手臂座標系配置	17
圖3.9、機械手臂關節及連桿參數示意圖	20
圖3.10、球型關節	21
圖3.11、冗餘圓之圓心示意圖	22
圖3.12、手肘關節(第四軸)解法的示意圖	25
圖3.13、第一、二軸解法的示意圖	26
圖3.14、第三軸解法示意圖	27
圖3.15、冗餘度計算示意圖	32
圖3.16、雙臂機器人基座標與原點示意圖	35
圖3.17、雙臂機器人左右臂之配置與基座標示意圖	36
圖3.18、雙臂機器人與左右臂之基座標相對關係圖	36
圖3.19、雙臂機器人與機械手臂末端方向向量示意圖	38
圖4.1、梯形速度曲線的位置、速度及加速度的示意圖	41
圖4.2、未達最大速度之梯形速度曲線位置、速度及加速度示意圖	44
圖4.3、三軸非同步運轉之示意圖	48
圖4.4、從軸移動距離不足之主軸加速時間較短示意圖	50
圖4.5、從軸移動距離不足之主軸加速時間過長示意圖	50
圖4.6、主軸加速時間較短的主軸及從軸之修正示意圖	51
圖4.7、主軸加速時間較長的主軸及從軸之修正示意圖	53
圖4.8、多軸同步修正之流程圖	53
圖4.9、三軸同步之梯形軌跡規劃圖	54
圖4.10、機械手臂末端點軌跡示意圖	54
圖4.11、簡化之簡單幾何模型示意圖	55
圖4.12、簡化模型之距離關係圖	56
圖4.13、線段距離關係圖	57
圖4.14、兩線段與公垂線關係圖	59
圖4.15、共平面線段與垂線關係圖	61
圖5.1、雙臂機器人各軸位置與時間關係圖	64
圖5.2、雙臂機器人各軸速度與時間關係圖	64
圖5.3、雙臂機器人各軸加速度與時間關係圖	65
圖5.4、右機械手臂之小臂與左機械手臂的距離與時間關係圖	66
圖5.5、右機械手臂之大臂與左機械手臂的距離與時間關係圖	67
圖5.6、右機械手臂之末端與左機械手臂的距離與時間關係圖	67
圖5.7、雙臂機器人之起始狀態圖	68
圖5.8、右機械手臂之小臂碰撞狀態圖	69
圖5.9、右機械手臂之大臂碰撞狀態圖	69
圖5.10、雙臂機器人之結束狀態圖	70
圖5.11、雙臂機器人之碰撞上視圖	70

 
表目錄
表2.1、雙臂機器人之硬體規格表	7
表2.2、雙臂機器人之機械手臂馬達硬體規格表	8
表3.1、四種D-H參數及說明	17
表3.2、七自由度冗餘機械手臂D-H連桿參數表	18
表3.3、機械手臂關節及連桿參數對照表	19
表4.1、梯形速度曲線的參數表	41
表4.2 兩線段最短距離數學式與關係表	60
表4.3 與線段相交之垂線長度數學式對照表	62
表4.4 線段端點到端點距離數學式對照表	62
表5.1 線段端點到端點距離數學式對照表	63

參考文獻
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