臺灣博碩士論文加值系統

本論文基於系統整合的概念，旨在整合自製的六自由度垂直關節型機械手臂、一自由度線性滑台及乙太網控制自動化技術(EtherCAT)，研製相較於一般工業機械手臂體積小、重量輕、工作空間大及現場總線配置簡單之七自由度仿人機械手臂，並進行機械手臂的控制性能研究。在機構設計部分，本論文以鋁製圓型中空臂桿搭配諧和式減速機與小型直流馬達進行六自由度垂直關節型機械手臂設計，並整合一自由度線性滑台延伸機械手臂的作業空間，以滿足各種不同運作規模的自動化需求。在系統分析部分，本研究以D-H座標法推導機械手臂各關節致動器與末端夾持器端點間的正逆向運動學解，並以MATLAB驗證正逆向運動學解及進行機械手臂的空間模擬。在系統控制方面，為保證機械手臂各關節運動過程的平滑性與連續性，本研究運用五階軌跡規劃方式，以工業電腦為核心搭配EtherCAT介面卡，在LabVIEW 開發環境中完成EtherCAT分散式控制系統的設計。在系統製作與實驗部分，本論文依據設計方案研製基於EtherCAT的七自由度仿人機械手臂原型機，並進行功能驗證與實驗研究，實驗結果證明，本論文所研製的機械手臂可完成所設定之運動控制與軌跡追蹤定位需求，並將最大追蹤誤差維持在7mm內。

This thesis adopted the system integration concept and combined a self-made six-degree-of-freedom vertical articulated robotic manipulator, linear slide table, and Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) together to develop a seven-degree-of-freedom humanoid robotic manipulator that was compact and light with a large coverage area and featured a simple bus configuration. Subsequently, the control performance of the robotic manipulator was assessed. An aluminum round hollow arm, harmonic drive, and small DC motor were integrated to form a six -degree-of-freedom vertical articulated robotic manipulator, which was mounted on a linear slide table to extend the space covered by the robotic manipulator and satisfy user demands for automated operations of varying scales. Concerning system analysis, this thesis employed the D-H coordinate method to identify the forward and inverse kinematics in the various locations of the robotic manipulator starting from the joint actuators to the end-location gripper. Subsequently, MATLAB was used to verify the forward and inverse kinematics and perform spatial simulations for the robotic manipulator. Regarding system control, to ensure the smoothness and continuity in robotic manipulator joint movement, this study utilized the fifth-order trajectory planning. An industrial computer was used as the core and supported by an EtherCAT interface card. LabVIEW was utilized to design an EtherCAT distributed control system. With respect to system fabrication and experiment, this study followed the design plan and built an EtherCAT-based seven-degree-of-freedom humanoid robotic manipulator prototype, where an experiment was performed to verify its functionality. The experiment results showed that the robotic manipulator can complete various automated operations in terms of path tracking and positioning demands.

摘要i
ABSTRACTii
誌謝iv
目錄v
表目錄vii
圖目錄viii
第一章 緒論1
1.1前言1
1.2 文獻回顧2
1.2.1 機械手臂2
1.2.2 乙太網控制自動化技術4
1.3 研究動機與目的7
1.4 論文架構7
第二章 系統架構與實驗設備9
2.1 七自由度仿人機器手臂機構9
2.2 實驗系統設備14
2.2.1 PC-Based 控制系統14
2.2.2 EtherCAT Master Card15
2.2.3 馬達與編碼器15
2.2.4 馬達控制器16
2.2.5 諧和式減速機17
2.2.6 線性滑台模組17
第三章 系統數學模型19
3.1 機構自由度 19
3.2 運動學分析 20
3.2.1 座標系建立20
3.2.2 正向運動學分析22
3.2.3 逆向運動學分析24
3.2.4 正逆向運動學驗證25
3.3 工作空間模擬27
第四章 電控系統設計30
4.1 硬體架構30
4.2 軟體架構31
4.3 人機介面設計32
第五章 軌跡規劃34
5.1 五階軌跡34
5.2 軌跡之運動學模擬37
5.2.1 直線軌跡之運動學軌跡模擬37
5.2.2 平面方型軌跡之逆向運動學模擬40
5.2.3 平面星型軌跡之逆向運動學模擬44
5.2.4 立體方型軌跡之逆向運動學模擬48
第六章 實驗結果與討論52
6.1 五階軌跡追蹤實驗52
6.1.1 單關節五階軌跡追蹤實驗52
6.1.2 多關節同動五階軌跡追蹤實驗56
6.2七自由度機械手臂終端運動平台軌跡追蹤實驗61
6.2.1 平面方型軌跡之逆向運動學實驗61
6.2.2 平面星型軌跡之逆運動學實驗65
6.2.3 立體方型軌跡之逆運動學實驗69
第七章 結論與未來展望74
7.1 結論74
7.2 未來展望74
參考文獻76
作者簡介79

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