臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要以混合式模糊控制器進行一滑軌機器人系統之伺服控制，藉由對滑軌機器人之機構設計、數學模型分析、控制器設計、電控系統整合、以及友善化之觸控介面操作，以達成系統響應快速、定位精確、操作容易使用之目標。研究的內容主要包括：
1、滑軌機器人機構之設計：滑軌機器人機構包含一滑軌、滑軌固定基座、馬達驅動齒輪組三個部分。滑軌安裝於固定基座上，滑軌上的移動平台由皮帶輪驅動。馬達輸出軸耦合一小時規齒輪傳動大時規齒輪以放大扭力，增加減速比以提高移動平台之承載力。
2、滑軌機器人電控系統之設計：滑軌機器人電控系統，主要由兩大模塊所組成，第一模塊是由PIC晶片驅動的QVGA觸控式面板；第二塊是自行設計的電路控制板，其中包含主控制晶片電路、直流馬達驅動電路、RS232通訊電路、記憶體擴充電路…等部分。QVGA觸控面板上設計有易於操作之圖示以下達控制命令及資料給電路控制板，電路控制板將控制命令與資料解碼後，對馬達進行驅動，並回傳馬達轉速與位置給QVGA觸控面板做資料的顯示。
3、混合型模糊控制器設計：控制器在系統中扮演最重要的角色，能使系統快速及準確的達到使用者目標，假若缺乏控制器，系統則無法快速到達目標，甚至無法正常動作。本論文針對模糊控制器性能做探討，然後將模糊控制器與PID控制器組成混合型控制器，並比較各種混合型模糊控制器在模擬以及應用在滑軌機器人上的性能效果。
4、觸控式人機介面系統設計：一般常見的人機介面都是植基於PC上，用PC下達命令來控制設備，此做法需要額外一台PC來做為人機介面進而增加了設備的成本，所以本論文利用一嵌入式QVGA觸控面板來做為人機介面以降低設備成本，在觸控式人機介面上，使用者可以錄製滑軌機器人的動作，然後來執行重複性的工作內容。
最後，本論文完成了混合型模糊控制器設計並應用在滑軌機器人系統上及設計其觸控式人機介面，經整合實驗測試，以達到速度控制、平台定位及播放教導動作之預期目標。

The thesis presents a single-axis slider robot system design, including a slider robot mechanism, an electrical control system, a hybrid fuzzy controller, and a touch human-machine interface. The main objectives of this thesis are listed as follows.
1. Mechanism design of a single-axis slider robot The single-axis slider robot mechanism contains three parts, a slider, a slider fixed base, and a motor drive unit. The slider is installed on the upper plane of the fixed base to load the desired tools. The fixed base is composed of a number of pillars, fixed blocks, and belt adjustment structure. The belt is driven by motor drive unit, including a DC motor and a gear-box. The belt is connected to the mobile platform installed on the upper plane of the slider. Then the mobile platform can move freely on the slider by the motor drive unit.
2. Electrical control system design of the single-axis slider robot The electronic control system of single-axis slider robot is mainly composed of two modules, including a modular QVGA touch panel and a mother control board. The mother control board contains a control kernel, a DC motor drive circuit, a RS-232 communication port, a memory expansion circuit, and other required peripheral circuits. Mother control board can receive the commands from the QVGA touch panel or communication port. Depending on the command type, the control kernel executes the corresponding motion. It is beneficial to modular electrical control system design and promotes the flexibility of application.
3. Hybrid fuzzy controller design Controller plays an important role in the developed system. Regardless the position-loop or velocity-loop all requires a controller to achieve the desired performance, such as zero steady state error, fast rising time, and shorter settling time. This thesis proposes hybrid fuzzy controller design, integrating traditional PID controller and fuzzy controller, to obtain better performance, even though noise or load disturbance appears in the control process. The simulation and experimental results demonstrate the hybrid fuzzy controller outperforms than PID controller or fuzzy controller on the performance requirements described above.
4. Touch human-machine interface system design Generally, human-machine interface is based on a PC-based system in industry application. The user inputs the desired command from the PC-based system and then the control kernel executes the relative action. This structure requires an additional PC, thereby increasing the cost and size of the equipment. In order to reduce the equipment cost and size, using an embedded QVGA touch panel as the human-machine interface is the better choice. The developed QVGA human-machine interface achieves many advantages, such as low cost, simple, and friendly operation.
Finally, all the developed system is implemented in the mechatronics laboratory. Integrating the mechanism, electrical control system, hybrid fuzzy controller, and the QVGA human-machine interface, the experimental results demonstrates the slider robot achieves fast and precise speed and position servo control. It can be applied to any single-axis robot system. Moreover, modular electrical control system is easily extended to multi-axis slider robot system.

摘要 i
英文摘要 iii
致謝 v
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xi
符號說明 xv
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 2
1.2 文獻回顧 2
1.3 本論文貢獻 5
1.4 章節概要 6
第二章 滑軌機器人基本架構 8
2.1 簡述 8
2.2 滑軌機器人機構設計 10
2.2.1 滑軌與固定基座 11
2.2.2 承載平台與皮帶調節機構 12
2.2.3 減速齒輪組 13
2.2.4 直流馬達 14
2.3 系統模型建立 15
2.3.1 數學模型 16
2.4 完成之滑軌機器人系統 20
第三章 控制理論 23
3.1 簡述 23
3.2 PID控制器 23
3.3 模糊控制器 25
3.3.1 模糊控制器基本理論 25
3.3.2 模糊演算法軟體流程 32
3.4 混合型模糊PID控制器 38
第四章 電控系統設計 41
4.1 簡述 41
4.2 主控制板 41
4.2.1 主控制晶片電路 42
4.2.2 馬達驅動電路 44
4.2.3 RS-232通訊電路 45
4.2.4 記憶體擴充電路 48
4.3 觸控面板 49
4.3.1 控制核心PIC24128GA 49
4.3.2 四線電阻式觸控面板 50
4.3.3 QVGA LCD顯示器 52
4.4電控系統實體 53
第五章 實驗結果與討論 55
5.1 簡述 55
5.2 滑軌機器人實驗系統安置 55
5.3 人機介面 57
5.3.1 觸控式人機介面操作介紹 58
5.4 PID控制器實驗結果 62
5.4.1 系統識別 63
5.5 模糊控制器實驗結果 66
5.5.1 離散型的模糊控制器 67
5.5.2 類比型的模糊控制器 70
5.6 混合型模糊PID控制器 73
第六章 結論與未來研究方向 76
6.1 結論 76
6.2 未來研究方向 78
參考文獻 80
作者簡介 83

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