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研究生: 劉浩德
HAO-TE LIU
論文名稱: 機械手臂手端位置與力量之遠端遙控
Force and Position Control of Robotic End-Effectorby Telemanipulating
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-Jer Huang
口試委員: 林紀穎
Chi-Ying Lin
顏炳郎
Ping-Lang Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 力量控制機器人控制遠端遙控觸覺回授
外文關鍵詞: robotic arm, telecontrol, force control, FPGA
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  • 本研究聯結力回饋操作系統的主控端與機械手臂系統的受控端。以執行主控端與受控端之位置與力量控制。在此以兩種方式來呈現,第一使用者操控力回饋操作系統輸出位置及力量資訊,傳輸到受控端使機械手臂重現相同位置及力量;第二使用者操控力回饋操作系統輸出位置,而機械手臂末端之力量感測器將力量回傳至力回饋操作系統,來聯結使用者與機械手臂之觸覺。
    主控端以PC-Based為核心,配合Novint Falcon觸覺裝置之動作,可讀取其把手的位置資訊,對把手末端的做力量控制,並讀取把手末端壓阻式力量感測器之數值,加上機械手臂末端六軸力量感測器的力量回授也由PC-Based讀入,一同傳輸至機械手臂控制系統。
    受控端以ALTERA Nios II Embedded Development Kit(以下簡稱Nios II 發展板)為核心,在Nios II 發展板內以數位硬體電路實現訊號擷取與輸出控制訊號之功能,數位控制訊號由Nios II 發展板送至自製直流馬達驅動電路以驅動各軸馬達。數位電路包含五組光學編碼器信號偵測、四倍頻寬解碼電路、極限開關訊號偵測、五組脈波寬度調變信號輸出、RS232通訊架構、SDRAM控制模組等等。軟體部分則是在NiosII之整合開發環境介面編寫系統之人機介面,並藉由力量資訊與Jacobian matrix計算各軸力矩誤差,並將使用位置/力量混合控制來實現力量與位置之控制。


    In this thesis, a five degrees of freedom industrial robotic arm slave mechanism is connected with select a three degrees of freedom haptic device to constitute a telecontrol system.
    User can operate haptic device for sending the position and force output information for the slave side mechanical arm for reproducing the correcting position and force; In addition user can operate haptic device to command the slave side mechanical arm output position information, and end-effecter force sensor of the mechanical arm will feedback the slave side’s force information to master haptic device for correlating their tactile feeling.
    Master side is a PC-Based control Novint Falcon haptic device operation. The position and force information of the handle is feedback signal on haptic device’s encoder and piezoresistive force sensor to the slave side robotic control system.
    The ALTERA FPGA is related at the Slave side robotic arm control architecture. The Nios II development board uses digital hardware circuits to implement signal acquisition and output control function. FPGA digital hardware contain decoder, filter, PWM,I^2 C, IR and SDRAM controller etc. Nios II software contain user interface, kinematics formula, FSMC algorithm and Jacobian matrix calculation of each axis torque. The position/force hybrid control is employed to achieve force and position control task.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章緒論 1 1.1 文獻回顧 1 1.2 研究動機與目的 3 1.3 論文架構 3 第二章系統架構 4 2.1 力回饋操作系統(主控端) 5 2.1.1 Novint Falcon觸覺裝置 6 2.1.2 壓阻式力量感測器 7 2.1.3 Arduino 8 2.1.4 力量感測器之訊號擷取 9 2.2 機械手臂系統架構(受控端) 10 2.2.1 Nios II發展板 12 2.2.2 馬達驅動電路 14 2.2.3 脈波寬度調變電路 17 2.2.4 機械手臂 18 2.2.5 個人電腦(受控端) 19 2.2.6 NIOS II微處理器之規劃 20 第三章機械手臂運動學分析 24 3.1 連桿參數與座標(Link Parameters and Coordinate) 25 3.2 機械手臂運動學分析 27 3.3 機械手臂反運動學 32 3.3.1 反運動學推導 32 3.4 各軸馬達扭力與終端器力量與力矩關係推導 34 第四章控制理論 38 4.1 基本模糊理論 38 4.1.1 模糊集合與隸屬函數 39 4.1.2 基本模糊控制器架構 39 4.2 滑動模式控制 44 4.2.1 滑動模式控制原理 44 4.2.2 滑動模式控制理論基礎 45 4.3 模糊滑動模式控制 48 4.4 控制架構 53 第五章實驗結果與討論 55 5.1 實驗一:三維位置控制-絕對型FSMC與混合型FSMC控制器之比較 57 5.2 實驗二:三維位置之遙控控制 62 5.3 實驗三:Z方向定力控制30N與XY方向直線移動 66 5.4 實驗四:平面直線移動與定力控制10N到20N 68 5.5 實驗五:遙控位置與定力控制 71 5.6 實驗六:遙控位置與力量追隨控制 75 5.7 實驗七:力量回饋 77 第六章結論與未來展望 81 6.1 結論 81 6.2 未來展望 82 參考文獻 83

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    無法下載圖示 全文公開日期 2020/07/30 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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