臺灣博碩士論文加值系統

此論文之目標係在發展出一套全新概念的負荷感知器式機械手之主動式牽引教導系統。在這一系統中，吾人會將一枚三次元受力感知器裝在一支X、Y、Z三軸移動平台端點上，然後一旦牽動把手（置於三次元受力感知器上）移動平台就會透過本身的控制器的主動控制而隨著施力的大小與方向作適當的運動，並記錄經過位置而遂行主動式教導的目的。這一套新式教導系統的產生將可以有效取代現今笨拙而不便的機械手臂教導方式，而能夠使教導方式更為簡易、自然、靈活與細膩，因而可以使得機械手臂的原有功能有更大的發揮，而有助於其整體性能的提昇。另外由於這一型教導系統也可以適用於所有CNC機器上,因此可以預見本系統勢必會對於和CNC應用有關的產業有相當大的助益。
由於本論文的目的只是在於驗證與示範此一創新的構想，因此為爭取時效，本論文中所採用的移動平台為自製且具有三個自由度。然而這並不代表此套系統的應用限度，只要將負荷感知器稍作修改就可以將這一套系統應用於具有較高自由度的機械手臂或CNC機器上。例如只要使原有的受力感知器增加對繞曲力矩的大小與方向的偵測能力就可以自由的引導機械手臂的夾持部在機械手臂的工作範圍內作六個自由度的運動。

The objective of this thesis is to develop an innovative load-cell based active robot lead-through teaching system. In this proposed teaching system, a 3-DOF load-cell will be mounted on the end of a 3-axis X、Y、Z tables, and accordingly, the table will move in the same direction as that of the leading force applied. With the development of this system, the cumbersome robot teaching job, as it seems to be until now, is going to become much more comfortable and delicate, and the working capabilities of all industrial robot will be much improved. In the meanwhile, this method can also be applied to all kinds of CNC machines as well, and is definitely going to make considerable contributions in those industry related applications. Since the main purpose of this thesis is to demonstrate the feasibility of this innovative teaching system, therefore, for the sake of simplicity , the system is developed based on a 3-axis X、Y、Z tables; nevertheless, with some moderate modifications, this system can easily be implemented on higher DOF robots or CNC machines. For example, if, in addition to its original ability on force sensing, the load-cell can also be made to detect the magnitude and direction of the applied bending moments, then the modified teaching system can easily lead the end-effector of any six DOF robot to move through any desired path with attempted orientations, as long as the robot working space constraint is not violated.

摘 要 I
ABSTRACT II
圖 目 錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 研究動機 4
1.3 研究目的 5
1.4 背景與步驟 6
1.5 論文架構 13
第二章 教導系統架構 14
2.1 系統硬體架構 15
第三章 控制電路 20
3.1 直流馬達驅動器 20
3.2 線性驅動器 20
3.21定電壓型 21
3.22定電流型 22
3.3 PWM驅動器 27
3.31比較器 27
3.32三角波產生器 29
3.33功率驅動電路 (Full-Bridge Driver ) 31
3.4 信號放大器 34
第四章 感知器研製 36
4.1 理論基礎 37
4.11基本假設條件 41
4.12電腦輔助分析之基本流程 42
4.2 外型製作 45
4.3 應變計 48
4.31應變計原理簡介 48
4.32量測變形量之方法 50
4.33應變計實際應用簡介 53
4.4 應變計黏貼 56
4.5 分析結果 62
4.6 曲線擬合 69
第五章 移動平台製作 74
5.1 移動平台設計之考量因素 74
5.2 諧和驅動器 76
5.21諧和驅動器的構造 76
5.22諧和驅動器的原理 78
5.23諧和驅動器的特性 80
5.3 致動器（ACTUATOR） 82
5.4 滾珠導螺桿 83
第六章 系統整合與測試 85
6.1 信號放大器測試結果 85
6.2 系統控制流程 90
6.3 程式流程 95
第七章 教導結果與討論 99
第八章 結論與展望 100
參考文獻 102
附 錄 106

【1】. Koren, Y., “Robotics for Engineers,” McGraw-Hill, Inc.,1987.
【2】. Stadler, W., “Analytic Robotics and Mechanics,” McGraw-Hill, Inc.,1995.
【3】. 李進吉，「工業用機器人計算機介面及控制」，全華科技圖書股份有限公司。
【4】. Lewis, F. L., Abdallah, C. T. and Dawson, D. M., “Control of Robot Manipulators,” Macmillan, Inc.,1993.
【5】. 江耀宗、林崇賢，「機器人原理與系統」，全華科技圖書股份有限公司，民國80年11月再版。
【6】. Scheinman, V. D., “Design of a Computer Controlled Manipulator,” Stanford Artificial Intelligence Project Memo AIM-92, Stanford University, 1969.
【7】. Brussel, H. V., Belien, I. H. and Thielemans, I. H. “Force Sensing for Advanced Robot Control,” Robotics, Vol. 2,pp139-148, 1986.
【8】. Nakamura, Y., Yoshikawa, T. and Futamata, I., “Design and Signal Processing of Six-axis Force Sensors,” Proc. 4th International Symposium of Robotics Research, pp.75-81, 1987.
【9】. Uchiyama, M., Baya, E. and Palma-Villalon, E., “A Systematic Design Procedure to Minimize a Performance Index for Robot Force Sensors,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 113, pp.388-394, 1991.
【10】. Ricciardi, G. and Borsati, L., “Six Axis of Sensitivity Force Sensors for Robots,” Annals of the CIRP, Vol.42, No.1, pp.579-601, 1993.
【11】. Huang, W., Jiang, H. and Zhou, H., “Mechanical Analysis of a Novel Six-degree-of-freedom Wrist Force Sensor,” Sensors and Actuators, Vol.35, pp.203-208, 1993.
【12】. “Strain Gage Conditioner and Amplifier System,” Measurements Group, Inc.,1997.August.
【13】. “BURR-BROWN CD-ROM Catalog,” BURR-BROWN Corporation.,1997.
【14】. “Drive Components and Systems,” Maxon Motor, Inc., 1997~1998.
【15】. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins “Power Electronics,” John Wiley & Sons, Inc., 1995.
【16】. “Power Integrated Circuits Data Book Volume9,” Apex Microtechnology Corporation.,1999.
【17】. James W. Nilsson, Susan A. Riedel, “Electric Circuits,” Addison Wesley, Inc., 1994.
【18】. ELIAHU ZAHAVI, “The Finite Element Method in Machine Design,” Prentice-Hall international.
【19】. 王新榮、陳時錦、劉亞忠，「有限元素法及其應用」，中央圖書出版社出版，民國86年11月初版。
【20】. 賴忠祐、賴育良、林啟豪，「電腦輔助工程分析」，高立圖書有限公司，民國86年2月1號出版。
【21】. Thomson, W.(Lord Kelvin) “On the Electrodynamic Qualities of Metals,” Phil. Trans. R. Soc., Vol.146, pp649-751, 1856.
【22】. James, W. Dally, William F. Riley “Experimental Stress Analysis,” McGraw-Hill, Inc.,1991.
【23】. 機械人，「機電整合雜誌」，1999、1~2月第六期，機電整合雜誌社出版。
【24】. “Instruction Bullet,” Measurements Group, Inc.,1997. August.
【25】. 周慶輝 譯、黃松浪 校，「TURBO C++ 例解」，1994年2月初版，儒林圖書有限公司。
【26】. Naba Barkakati 原著，蔡明志 譯，「TURBO C++ Bible」，1991年6月初版，松崗電腦圖書資料股份有限公司。
【27】. 實威科技有限公司，「SolidWorks 教育訓練手冊」，2000年1月20日初版，美工科技有限公司。
【28】. 志城企業有限公司，「Harmonic Drive與傳動元件型錄」，HD systems Inc.
【29】. NSK，「機機製品滾珠螺桿型錄」，台灣精機製品有限公司。