臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一個三維模型之軌跡建構的方法，並且實際應用在六軸機械手臂上。首先依據三維模型的點資訊以及點密度來進行點資訊的分層，然後用邊緣遮罩方法來找出邊緣點以及Hermite曲線方法來決定一些擬合點，最後建構出這個三維模型之點資訊所相對應的軌跡。在模擬測試上，本論文先以一個單一層面的分層點資訊來做模擬測試，並且分別以點資訊的密度、有無使用Hermite曲線方法、以及擬合點數目的多寡等項目來做分析比較。從結果可知，本論文所提出的方法確實可以達到更圓滑的軌跡效果。在MATLAB的模擬上，本論文以D-H連桿表、正向運動學以及逆向運動學來實現一個六軸機械手臂的虛擬環境，並且在這個虛擬環境上，使用本論文所提出的方法來模擬一個圓錐體的繪製，證明所提之方法確實是可行的。在實際測試的部分，本論文以自行開發之六軸機械手臂繪製一個結果來證明本論文所提出的方法。

In this thesis, a trajectory construction method with a three-dimensional model is proposed and actually applied in a laboratory-developed six-axis robot manipulator. First, based on the information point and point-density in a three-dimensional model to stratify the point information. Then an edge mask is applied to find the edge points and the Hermite curve is used to decide some fit points. Finally, a corresponding trajectory is constructed for this considered point information. In the simulation test, points in a single hierarchical level are first used to do the simulation test. The point density, with or without using the Hermite curve method, and the amount of fitting points are respectively used to do the analysis and comparison. From the simulation results, the proposed method can indeed effectively achieve a smoother trajectory. In the simulation of MATLAB, a D-H link table, forward kinematics, and inverse kinematics are considered to construct a virtual environment of this six-axis robot manipulator. And in the virtual environment, a simulation result of a cone drawing by using the proposed method is presented to prove the proposed method is indeed feasible. In the actual test, the proposed method is applied to let this laboratory-developed six-axis robot manipulator can draw the desired results.

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 4
第二章 機械手臂系統介紹 5
2.1 機械手臂的連桿結構與關節配置 6
2.2 機械手臂之硬體規格與硬體系統架構 9
2.3 機械手臂之軟體系統與控制介面 11
2.4 機械手臂之硬體的規格與效能 12
第三章 機械手臂之運動學基礎理論 25
3.1 建立D-H連桿表 25
3.2 正向運動學 29
3.3 逆向運動學 35
第四章 3D模型軌跡建構 40
4.1 模型的點資訊 40
4.2 分層 41
4.3 邊緣點偵測 43
4.4 Hermite曲線 48
4.5 所有分層 55
4.6 路徑點 55
第五章 實驗結果 56
5.1 模擬與比較 56
5.2 實際成果展現 61
第六章 結論與未來展望 63
6.1 結論 63
6.2 未來展望 63
參考文獻 64

圖目錄
圖 1.1、主要國家製造業推動政策 1
圖 1.2、各國政策與技術重點 2
圖 1.3、ABB機械手臂執行拋光研磨與雕刻任務 3
圖2.1、六軸機械手臂之外觀實體圖 7
圖2.2、機械手臂之各軸馬達及減速機的配置及其尺寸圖 7
圖 2.3、機械手臂活動範圍之上視圖 8
圖 2.4、機械手臂活動範圍之側視圖 8
圖2.5、機械手臂之硬體系統架構 10
圖2.6、機械手臂的主控程式介面 11
圖2.7、機械手臂的任務與動作編輯器介面圖 12
圖 2.8、工業電腦IPC-5120的實體圖 13
圖2.9、運動控制卡MC8881P的實體圖 14
圖2.10、運動控制卡MC8881P之轉接板的實體圖 14
圖2.11、SCSI-II機外電纜線的實體圖 15
圖2.12、I/O控制卡LEAPIO48的實體圖 16
圖2.13、I/O控制卡LEAPIO48之轉接板的實體圖 16
圖2.14、機械手臂之電控箱的實體圖 17
圖2.15、機械手臂之配電箱的電路圖 17
圖2.16、PANASONIC公司之AC伺服馬達的實體圖 18
圖2.17、機械手臂各軸減速機 21
圖2.18、兩指電動夾爪之傳動機構的實體圖 22
圖2.19、兩指電動夾爪之訊號控制電路板的外觀實體圖 23
圖3.1、 與 無共平面的示意圖 26
圖3.2、 與 相互平行的示意圖 27
圖3.3、 與 相交之狀況一的示意圖 27
圖3.4、 與 相交之狀況二的示意圖 28
圖3.5、六軸機械手臂的座標系配置圖 28
圖 3.6、正向運動學的示意圖 29
圖3.7、機械手臂之兩指電動夾爪的三個方位向量 31
圖3.8、尤拉角法之旋轉示意圖 32
圖 3.9、逆向運動學的示意圖 35
圖3.10、球型關節 35
圖3.11、運動學解耦合的示意圖 36
圖3.12、前三軸之關節連桿的幾何關係圖 37
圖 4.1、系統流程圖 40
圖 4.2、輸入之圓錐體點資訊的示意圖 41
圖 4.3、分層之結果的示意圖 42
圖 4.4、邊緣點偵測的流程圖 43
圖 4.5、二值化後的示意圖 44
圖 4.6、邊緣化遮罩 45
圖 4.7、修正前邊緣點的示意圖 45
圖 4.8、修正後邊緣點的示意圖 46
圖 4.9、邊緣點的示意圖 47
圖 4.10、建構HERMITE曲線的示意圖 49
圖 4.11、 HERMITE曲線4個合成點結果示意圖 52
圖 4.12 、HERMITE曲線9個合成點結果的示意圖 53
圖 4.13、預產生切線向量的示意圖 54
圖 4.14、切線向量的示意圖 54
圖 5.1、密度不同的比較示意圖 57
圖 5.2、使用HERMITE曲線的比較示意圖 58
圖 5.3、HERMITE曲線合成點比較示意圖 59
圖 5.4、機械手臂模擬軌跡示意圖 60
圖 5.5、實際圓形測試結果的示意圖 61
圖 5.6、圓錐體實際測之試結果的示意圖 62


表目錄
表 2.1、實驗室歷年研製機械手臂所使用之馬達特性的比較表 6
表2.2、機械手臂之硬體系統規格表 9
表2.3、機械手臂之各關節的硬體規格表 9
表2.4、工業電腦IPC-5120的規格 13
表2.5、運動控制卡MC8881P之規格表 15
表2.6、各軸AC伺服馬達的規格表 19
表2.7、各軸達驅動器的規格表 20
表2.8、機械手臂各軸減速機規格表 21
表2.9、兩指電動夾爪的規格表 22
表2.10、馬達驅動電路之驅動晶片的規格 24
表3.1、D-H連桿參數說明 28
表3.2、六軸機械手臂之D-H參數表 29

[1]經濟部工業局，URL: https://www.moeaidb.gov.tw/index_1024.html
[2]行政院科技會報，URL：
http://www.bost.ey.gov.tw/cp.aspx?n=9D3C94480910C6A4
[3]FANUC Robotics, URL: http://www.fanucrobotics.com
[4]KUKA Manipulator, URL: http:// www.kuka.com
[5]ABB Manipulator, URL: http:// www.abb.com
[6]YASKAWA Manipulator, URL:
http://www.motoman.com/products/robots/
[7]Power and productivity for a better worldTM ABB, URL：
http://new.abb.com/products/robotics/application-equipment-and-accessories/integrated-force-control
[8]李育昇，六軸機械手臂與音圈馬達夾爪的設計，淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授：翁慶昌)，2013。
[9]研華科技股份有限公司之工業電腦IPC-5120：http://www.advantech.tw/
[10]和椿科技股份有限公司之八軸軸控卡MC8881P：http://www.aurotek.com.tw/TW
[11]力浦電子股份有限公司之IO控制卡LeapIO48：http://www.leap.com.tw/

[12]松下馬達與伺服器：
http://industrial.panasonic.com/ww/products/motors-compressors/fa-motors/ac-servo-motors
[13]NABTESCO行星式減速機：
http://www.kuangho.com.tw/chinese/nabtesco.html
[14]Harmonic Drive諧和式減速機：
http://www.shijou.com.tw/hds/hd/main.html
[15]J. J. Craig, Introduction to robotics: mechanics and control, 3rd Ed., New York, NY, USA: Prentice Hall, 2004.
[16]M. W. Spong, S. Hutchinson, and M. Vidyasagar, Robot dynamics and control, 2nd Ed., John Wiley & Sons, 2004.
[17]M. A. Ali, H. A. Park, and C. S. G. Lee, “Closed-form inverse kinematic joint solution for humanoid Robots,” Proc. of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, Taiwan, pp.704-709, 2010.
[18]台灣word，URL：http://www.twword.com/wiki/
[19]劉德一，彩色薄層材料堆疊快速成型機之研究，國立成功大學航空太空工程學系碩士論文(指導教授：賴維祥)，2011。
[20]李冠廷，機械手臂之基於圖像的繪圖系統，淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授：翁慶昌)，2015。
[21]元智大學最佳化實驗室，URL：
http://designer.mech.yzu.edu.tw/Default.aspx

[22]張世宏，多軸運動控制器軌跡規劃之研究，國立臺灣科技大學機械工程系碩士論文(指導教授：莊華益)，1999。
[23]許伶穎，以圓及三階Hermite曲線描述中國書法筆劃的邊緣輪廓，東吳大學資訊管理學系(指導教授：江清水)，2013