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研究生:張慶祥
研究生(外文):CHANG, CHING-HSIANG
論文名稱:觸控式面板在六軸機械手臂之控制
論文名稱(外文):The Six-DOF Robotic Manipulator Control by Touch Panel
指導教授:蔡樸生
指導教授(外文):TSAI, PU-SHENG
口試委員:陳珍源林盈灝蔡樸生
口試委員(外文):CHEN, JEN-YANGLIN, YING-HAOTSAI, PU-SHENG
口試日期:2016-07-14
學位類別:碩士
校院名稱:中華科技大學
系所名稱:電子工程研究所在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:觸控式面板六軸機械手臂順向運動學逆向運動學
外文關鍵詞:Six-axis manipulator armTouch screen PanelForward kinematicsInverse kinematics
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論文採用威倫科技所推出的觸控式面板MT6071iE為工作平台,結合ATMEL公司的AT90CAN128作為核心控制器控制六軸機械手臂的手指關節動作。本文的伺服機械手臂長390mm,是模擬人類的手臂構造而成,除了基座關節(Base Joint)、肩關節(Bicep Joint)、肘關節(Elbow Joint)、彎曲腕關節(Bend Wrist Joint)及旋轉腕關節(Rotate Wrist Joint),再加上手指關節(Finger Joint)。採用DGServo機器人專用伺服馬達 (S06NF/S05NF)來驅動各關節,包括4個12kg扭力、兩個1.8kg含減速齒輪的伺服馬達和一些精密鋁合金加工元件組合而成。配合伺服馬達的驅動可進行拿捏抓放等精密動作,如夾住乒乓球或是可樂罐的搬運等動作。為了將機械手臂的手指關節由初始座標移動至目標座標,先行分析六軸機械手臂中各個連桿(Link)與關節(Joint)的相關的座標位置,再利用逆向運動學反求六軸機械手臂每一個關節所需轉動的角度,再經由AVR MCU核心控制器中的六個獨立PWM來驅動六軸伺服馬達,讓手指關節可以移動至目標座標。本文採用文獻D-H Method (Denavit-Hartenberg Method) 設定機械手臂的各關節及連桿相對位置座標,利用順向運動學搭配現有手臂之自由度與機構限制推導機械手臂的終端座標。D-H Method的推導將與實際機械手臂的控制結果相比較並分析其誤差來源。
The following thesis utilizes MT6071iE Weintek’s touch screen panel and ATmega90CAN128 (Atmel) as platforms to control the movements of a six-axis manipulator arm. The arm, 390mm in length, is designed to mimic the functions of a human arm, including the base joint, bicep joint, elbow joint, bend wrist joint, rotate wrist joint, and finger joint. A DGServo (S06NF/S05NF) server motor (four 12kg Torque, two 1.8kg reduction gears) is employed to perform the rotation of each joint. With these mechanisms, the robotic arm is designed to perform complex and delicate actions such as holding a Ping-Pong ball or moving a coke bottle. In order for the manipulator arm to move an object from one coordinate to another, it is critical to first measure the initial and target coordinates, then adopt inverse kinematics to calculate the degree of rotation required for each joint. Finally, through six individual PWM rotation device, the AVR MCU controller carries out the calculated movement. This dissertation applies the D-H Method (Denavit-Hartenberg Method) to configure the relative coordinate position of each link and joint and utilizes forward kinematics with the arm’s mechanism and degrees of freedom (DOF) to carry out the action. By comparing the predicted and actual movements carried out by the robotic arm, an analysis of the margin of error is discussed to identify areas of improvement for future design considerations.
Abstract i
摘 要 ii
致 謝 iii
目 次 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
第一節 研究動機 1
第二節 文獻回顧 3
壹、工業機械人發展概況 3
貳、機械手臂的型式 5
參、D-H 機器人運動學分析 8
第三節 論文架構 12
第二章 機械手臂運動模型 14
第一節 D-H法則演算法 15
第二節 正向運動學 18
第三節 反向運動學 21
第三章 機械手臂圖控程式設計 25
第一節 觸控式人機界面基本功能 26
第二節 觸控面板串列通訊 30
第四章 六軸機械手臂系統架構 33
第一節 關節型六軸機械手臂規格 34
第二節 精密定位型伺服馬達 35
壹、 DGServo伺服馬達規格 35
貳、 伺服馬達的原理 36
第三節 PWM脈波寬度信號 38
第四節 觸控面板人機介面單元 41
第五章 實驗結果與功能測試 43
第一節 六軸機械手臂操作平台 43
壹、 六軸關節馬達測試 45
貳、 順向運動學功能測試 47
第二節 整合測試 52
第六章 結論與未來研究方向 55
第一節 結論 55
第二節 未來研究方向 56
參考文獻 58
作者簡介 61


[1]陳玟茹,2013年05月28日DIGITIMES電子時報,網址 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&id=335832&ct=1#ixzz4CYJVpF6w。
[2] 鄭春鴻,2016年1月,和信雙週刊第296期。
[3] 張峯禎,2010年11月,網址 https://www.youtube.com/watch?v=hBHIby8CdIE。
[4] 馬自明,2013年05月28日 ″讓台灣重返製造大國 機器人大軍起步走!″ 財訊雙週刊 第425期。
[5]吳冠儀,2015年12月9日,DIGITIMES電子時報, 網址: http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&packageid=10050&id=0000452612_J1P7NMAO0VVXV93YB70Q0&cat=30&ct=1。
[6] 鍾享年,2009,關節型機械手臂機械設計,機械工業雜誌317期 2009年8月號。
[7] 日本小型工業機械手的製造商IAI,網址http://www.iai-robot.co.jp/。
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[10] 和椿科技A-iR6型機械手臂,網址 http://www.robot.com.tw/TW/。
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[12] Michael Del Signore, ″Robot Position and Trajectory Analysis using Denavit Hartenberg Parameters Implemented in MATLAB″, December 10,2003.
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[17] 余家潤,″機械手臂之關節空間與工作空間的軌跡規劃″,淡江大學電機工程學系博士班,2015年6月。
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[30] Atmel,"90CAN128 DataSheet", 網址www.atmel.com/devices/at90can128.aspx.
[31]《電子工程專輯》" MCU 架構介紹 - 精簡指令微控制器(MCU)", 網址http://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/ART_8800076794_876045_TA_4ff997e5.HTM。
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