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系統識別號 U0002-2907201616183100
中文論文名稱 七自由度冗餘機械手臂的系統開發與運動控制設計
英文論文名稱 System Development and Motion Control Design for 7-DOF Redundant Robot Manipulator
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 賴宥澄
研究生英文姓名 Yu-Cheng Lai
學號 603470161
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-07-13
論文頁數 103頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-龔宗鈞
委員-王文俊
中文關鍵字 冗餘機械手臂  逆運動學  奇異點  軌跡規劃  零空間 
英文關鍵字 Redundant Robot Manipulator  Inverse Kinematics  Singularity  Trajectory Planning  Null Space 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文開發一個具有七自由度的冗餘機械手臂系統,並提出一個基於零空間之運動控制方法來優化機械手臂在運動控制上的靈活度、穩定性與工作效率。其主要包含三個部分:(1)機械手臂之系統架構、(2)七自由度冗餘機械手臂之運動學以及(3)零空間之運動控制。在機械手臂之系統架構的部分,本論文使用直流無刷馬達與諧和式減速機來設計實現一台七自由度機械手臂,並且設計一個CAN-Bus控制架構來實現一個具高同步性的馬達控制系統。在七自由度冗餘機械手臂之運動學的部分,由於七自由度冗餘機械手臂在逆運動學上具有無限多組解,因此需要額外增加一個冗餘角度限制來確定逆運動學的唯一解。本論文提出一個結合關節位置之分析以及運動學之解耦合的方法,其可以先求得關節的座標位置,然後利用幾何方法來得出運動學的解。在運動學奇異點的問題上,本論文亦提出一個適用於冗餘機械手臂而且具有低運算量的方法來進行奇異點的迴避。在零空間之運動控制的部分,本論文提出一個二階段搜尋法與一個多目標適應函數,從零空間中搜尋出一個冗餘角度,所找到的最佳解可以讓機械手臂能夠同時達到關節極限迴避、腕關節與肩關節奇異點迴避以及移動時間減少等目標。此外,所提運動控制方法亦讓機械手臂在移動過程中能夠保持關節的同步及軌跡的穩定。在實驗結果方面,本論文利用自行開發之七自由度冗餘機械手臂來實現所提之運動控制方法,一些模擬及實驗結果可以說明本論文所提出之基於零空間之運動控制方法確實具有不錯的控制效果。
英文摘要 In this thesis, a 7-DOF redundant robot manipulator system is developed and a null-space-based motion control method is proposed to enhance the flexibility, stability and efficiencyof motion control. It contains three main parts: (1) System architecture of robot manipulator, (2) Kinematics of 7-DOF redundant robot manipulator, and (3) Null-space-based motion control. In system architecture of robot manipulator, BLDC motors and Harmonic Driveare used to design and implement a 7-DOF robot manipulator. A CAN-Bus control structure is designedand implemented to let the motor control can be synchronization. In kinematics of 7-DOF redundant robot manipulator, due to the inverse kinematics exist infinitely many solutions for this redundant robot manipulator, a redundancy must be added to obtain only one solution. A method combined both joint position analysis and kinematics decoupling is proposed to obtain all joint positions. After that, inverse kinematics can be solved by a geometric analysis method. Moreover, on the issue of kinematic singularity, a low computational approach is proposed to avoid the singularity.In the null-space-based motion control, a two-stage search method and a multi-object fitnessfunction are proposed to find a redundant angle from the null space. The obtained optimal solution can lettherobot manipulator can simultaneously avoidjoint limit, avoid wrist and shoulder singularity, and reducetravel time. Moreover, the proposed method also let the joints be synchronic and the trajectory be stableduring the moving process of the robot manipulator.In the experiment results, some experiments of the laboratory-made 7-DOF redundant robot manipulator are presented.They illustrate the proposed null-space-based motion control method truly has a good control performance.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄III
圖目錄V
表目錄X
符號對照表XII
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的與文獻回顧 2
1.3 論文架構 5
第二章 系統架構與軟硬體設備 6
2.1前言 6
2.2七自由度冗餘機械手臂系統9
2.3機械手臂之關節扭矩分析12
2.4軟硬體系統架構與設備規格17
第三章 七自由度冗餘機械手臂運動學 27
3.1冗餘機械手臂運動學 27
3.2 D-H連桿參數表 30
3.3逆運動學 33
3.4正運動學 47
第四章 冗餘機械手臂之零空間運動控制 53
4.1梯形速度曲線 53
4.2關節同步軌跡規劃 63
4.3最佳姿態決策 71
第五章 實驗結果 77
5.1七自由度冗餘機械手臂運動學之模擬與實測77
5.2冗餘機械手臂奇異點迴避之實測82
5.3冗餘機械手臂之零空間運動控制實現88
第六章 結論與未來展望 97
6.1結論 97
6.2未來展望 98
參考文獻 99

圖目錄
圖1.1、三個廠牌之輕量型七軸機械手臂 2
圖2.1、七自由度冗餘機械手臂之SOLIDWORKS模擬圖 9
圖2.2、七自由度冗餘機械手臂的實體圖與連桿規格 10
圖2.3、機械手臂活動範圍的上視圖 11
圖2.4、機械手臂活動範圍的側視圖 11
圖2.5、七自由度冗餘機械手臂在平舉時的姿勢模擬圖 12
圖2.6、球型手腕扭矩分析示意圖 14
圖2.7、手肘扭矩分析示意圖 15
圖2.8、肩膀扭矩分析示意圖 16
圖2.9、七自由度冗餘機械手臂系統架構 17
圖2.10、使用VS2008所開發之機械手臂的人機介面 19
圖2.11、IO控制卡 PCI-1756-AE 20
圖2.12、EPOS2 50/5 軟體架構圖 21
圖2.13、電控系統實體圖 24
圖2.14、CAN-BUS控制架構圖 24
圖2.15、兩指電動夾具之傳動機構實體圖 25
圖2.16、兩指電動夾具之電路實體圖 26
圖3.1、傳統尤拉角示意圖 28
圖3.2、本論文之尤拉角示意圖 28
圖3.3、冗餘機械手臂冗餘軸示意圖 29
圖3.4、冗餘度特性介紹 29
圖3.5、 與 無共平面示意圖 30
圖3.6、 與 互相平行示意圖 31
圖3.7、 與 相交示意圖之情況一 31
圖3.8、 與 相交示意圖之情況二 32
圖3.9、七軸機械手臂座標系配置 32
圖3.10、機械手臂關節及連桿參數示意圖 35
圖3.11、球型關節(SPHERICAL JOINT) 36
圖3.12、冗餘圓圓心示意圖 37
圖3.13、手肘關節(第四軸)解法的示意圖 40
圖3.14、第一、二軸解法的示意圖 41
圖3.15、第三軸解法示意圖 42
圖3.16、肩關節奇異點示意圖[34] 45
圖3.17、肘關節奇異點示意圖[34] 46
圖3.18、腕關節奇異點示意圖[34] 47
圖3.19、冗餘度計算示意圖 49
圖4.1、梯形速度曲線的位置、速度及加速度的示意圖 54
圖4.2、未達最大速度之梯形速度曲線的位置、速度及加速度示意圖 57
圖4.3、具有啟動與結束速度的梯形速度曲線示意圖 61
圖4.4、三軸非同步運轉之示意圖 64
圖4.5、重新規劃從軸而導致移動距離不足之示意圖:主軸加速時間較短 66
圖4.6、重新規劃從軸而導致移動距離不足之示意圖:主軸加速時間過長 66
圖4.7、同時修正主軸及從軸的示意圖:在主軸加速時間較短的狀況下 67
圖4.8、同時修正主軸及從軸的示意圖:在主軸加速時間較長的狀況下 69
圖4.9、多軸同步修正之流程圖 69
圖4.10、三軸同步運轉之梯形軌跡規劃圖 70
圖4.11、有同步與無同步之機械手臂末端點的軌跡示意圖 70
圖4.12、二階段搜尋法:第一階段搜尋結果的示意圖 72
圖4.13、二階段搜尋法:第二階段搜尋結果的示意圖 72
圖4.14、二階段搜尋法的流程圖 73
圖5.1、實驗一:機械手臂逆運動學模擬執行結果 78
圖5.2、實驗一:逆運動學實際執行結果分解圖 79
圖5.3、實驗一:各關節之角度-冗餘度回授圖 80
圖5.4、實驗一:末端點及冗餘度之命令-回授誤差圖 80
圖5.5、實驗二:機械手臂逆運動學模擬執行結果 81
圖5.6、實驗二:各關節之角度-冗餘度回授圖 82
圖5.7、實驗二:末端點及冗餘度之命令-回授誤差圖 82
圖5.8、肩關節奇異點迴避測試示意圖 83
圖5.9、有無進行肩關節奇異點迴避之各關節回授圖 84
圖5.10、有無進行肩關節奇異點迴避之命令-回授誤差圖 85
圖5.11、腕關節奇異點迴避測試示意圖 86
圖5.12、有無進行腕關節奇異點迴避之各關節回授圖 87
圖5.13、有無進行腕關節奇異點迴避之命令-回授誤差圖 88
圖5.14、實驗一:有無進行最佳姿態決策之運動軌跡比較圖 90
圖5.15、實驗一:有無進行最佳姿態決策之運動軌跡比較圖:(A) 角度、(B) 角速度、及(C) 角加速度 91
圖5.16、實驗一:沒有使用最佳姿態決策得出之 冗餘角度對應移動時間的響應圖 91
圖5.17、實驗一:使用最佳姿態決策得出之 冗餘角度對應移動時間的響應圖 92
圖5.18、實驗二:有無進行最佳姿態決策之運動軌跡比較圖 94
圖5.19、實驗二:有無進行最佳姿態決策之運動軌跡比較圖: (A)角度、(B)角速度、及(C)角加速度 95
圖5.20、實驗二:沒有使用最佳姿態決策得出之冗餘角度對應移動時間的響應圖 95
圖5.21、實驗二:有使用最佳姿態決策得出之 冗餘角度對應移動時間的響應圖 96


表目錄
表2.1、實驗室歷年所研製之六款機械手臂系統的彙整表 7
表2.2、實驗室歷年所研製之機械手臂馬達的比較表 8
表2.3、七自由度冗餘機械手臂的系統規格 11
表2.4、七自由度冗餘機械手臂之各部分的對應名稱 13
表2.5、七自由度冗餘機械手臂各關節之規格表 13
表2.6、工業電腦規格表 18
表2.7、直流無刷馬達驅動器 20
表2.8、機械手臂一~七軸馬達規格表 21
表2.9、機械手臂一~七軸減速機規格表 22
表2.10、兩指電動夾具之硬體規格表 25
表3.1、四種D-H參數及說明 32
表3.2、七自由度冗餘機械手臂D-H連桿參數表 33
表3.3、機械手臂關節及連桿參數對照表 34
表4.1、梯形速度曲線的參數表 54
表4.2、適應函數之符號對照表 76
表5.1、腕關節奇異點測試之起終點 86
表5.2、實驗一:零空間運動控制實測之起終點 89
表5.3、實驗一:沒有進行最佳姿態決策的執行結果 90
表5.4、實驗一:有進行最佳姿態決策的執行結果 90
表5.5、實驗二:零空間運動控制實測之起終點 93
表5.6、實驗二:沒有進行最佳姿決策的執行結果 94
表5.7、實驗二:有進行最佳姿決策的執行結果 94

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論文使用權限
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