本文主要應用SOPC技術搭配六軸力量感應器發展機器手臂力量控制系統，並在控制理論中使用FSMC控制器各別設計一個位置控制器與力量控制器，最後將兩個控制器的控制量合併，使機器手臂除了能在受環境拘束的方向上進行力量控制，未受拘束之方向則進行位置控制。
架構上是以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，並由Nios II發展板偵測各軸馬達位置訊號及力量感測訊號，以形成閉迴路控制。軟體部分則是在NiosII之整合式發展介面編寫系統之人機介面、運動控制與力量控制。而力量控制的架構上，是將量測到的力量訊號做為迴授訊號，透過手臂終端器之速度分析所得到的Jacobian matrix將此傳回之力量值轉換成各軸馬達扭力之對應值，再與給定之終端器力量值所轉換得到的各軸馬達扭力值去比較，達成力量控制系統之閉迴路控制。
而由於馬達各軸之參數都無法得知，所以本文將採用Model-free智慧型控制策略，以模糊滑動控制器(FSMC)為控制主軸，進行定點與移動中之接觸力控制之實驗，來驗證本文提出之方法的正確性。最後由本文之實驗結果可看出不論在定點接觸力控制或是移動中做順應運動控制，力量都可以控制在穩定的範圍內，並可經由程式來規劃不同狀況下的順應量，得以進一步驗證了本文提出之方法。

A force control of arm robotic system using SOPC technology and torque/force sensor is presented in this thesis. The Fuzzy Sliding Mode Controller is used to construct force and position controller respectively, then combine controller output of force and position.
This research is based on the FPGA chip adopts ALTERA Stratix II EP2S60F672C5ES as the development board. It can be divided into two parts. One is implemented by hard ware circuit. It includes quadrature encoder pulse process, limit switches detect, and pulse width modulation generators. The other is implemented by software using Nios II micro processor. Its functions are kinematics of arm robot, and the FSMC for force control and position control.
Because of the parameter of each axis motor can’t be know, this thesis use Model-free control strategy to construct Fuzzy sliding mode controller. Then, this thesis executes a series of experiments, which include force control without moving, and force control with position tracking. The experimental results have been provided and demonstrated the effectiveness and correctness of the proposed method in this paper.

【1】Neville Hogan, “Impedance Control of Industrial Robots” Robotics & Computer-Integrated Manufacturing, Vol.1, No.1, pp.97-113, 1984
【2】Kazerooni, H., Bausch, J.J. and Kramer, “An approach to automated deburring by robot manipulators,” ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.108, No.4, pp.354-359, 1986.
【3】Kazerooni, H. and Her, M. G., “Dynamics and control of a haptic interface device,” IEEE Trans. on Robotics and Automation, pp.453-464, 1994.
【4】Jung, S., Hsia, T. C., and Bonitz, R. G., “Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment,” IEEE Trans. on Control System Technology, Vol.12, No.3, pp.474-483, May 2004.
【5】Park, J. H., “Impedance control for biped robot locomotion” IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol.17, No.6, pp.870-882, 2001.
【6】James K. Mills and Andrew A. Goldenberg “Force and Position Control of Manipulators During Constrained Motion Tasks,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 5. No. 1. February 1989
【7】林欽榮, ”主控端以力量為指令之機械手臂遠端位置力量控制之研究,”碩士論文，國立台灣科技大學自動化及控制研究所，2004
【8】 陳威帆, “直流馬達之適應性順應運動控制研究,” 碩士論文，國立台灣科技大學機械工程研究所，2007
【9】 林珈鋒, “馬達動態行為之阻抗控制研究,” 碩士論文，國立台灣科技大學機械工程研究所，2007
【10】 羅元閔, ”以系統晶片結合霍爾原件發展具力量控制功能之機器手臂,”碩士論文，國立台灣科技大學機械工程系，2008

【11】 Paul, R. and Shimano, B., “Compliance and control proceedings of the joint,” Automatic Cnotrol Conference, San Francisco, pp.694-699, 1976.
【12】 Matthew T. Mason, “Compliance and Force Control for Computer controlled
Manipulators,” IEEE Transactions on systems, Vol.11 , SMC-11,No.6,June 1981
【13】 Shimoga B. Karunakar and Andrew A. Goldeuberg ,“Contact Stability in Model-Based Force Control Systems of Robot Manipulators” IEEE Int. on Robotics and Automation 1989
【14】 廖義銘, ”應用模糊理論於機械手臂混合式位置/力量控制之研究,”碩士論
文，國立台灣科技大學纖維及高分子工程系，2001
【15】 Raibert, M. H. and Craig, J. J., “Hybrid position/force control of manipulators,” ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.102, pp.126-133, 1981.
【16】 Gonzalez, J. J. and Widmann, G. R., “Force commanded impedance control scheme for robots with hard nonlinearities,” IEEE Trans. on Control System Technology , Vol,3, No.4, pp.398-408, 1995.
【17】 Anderson, R. J. and Spong, M. W., “Jybrid impedance control of robotic manipulators,” IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol.4, No.5, pp.549-556, 1988.
【18】 G. Ferretti,Magnani, and P. Rocco, “Toward the Implementation of Hybrid
Position/Force Control in Industrial Robots”,IEEE Transactions on Robotics
and Automation, Vol. 13,No. 6,December 1997
【19】 Ferretti, G.., Magnani, G.. A., and Rocco, P., “Impedance control for elastic joints industrial manipulators,” IEEE Trans. on Robotics and Automation, pp.488-498,2004.

【20】 喬執中,”力量控制於機械手臂運動之應用,” 碩士論文,國立中央大學 機
械工程研究所，2001
【21】 王聲榕, ”力量控制在循跡系統上的應用,”博士論文，國立中央大學機械
工程研究所，2002
【22】 Shozaburo Kasai and Fumitoshi Matsuno ,“Force Control of One-Link Flexible
Arms mounted on a linear Motor with PD and Shear Force(PDSF) Feedback,”
IEEE Electronics Society IECON 2000, Oct 22-28 2000
【23】 林志明, ”應用適應性控制於單軸撓性機械手臂之力量控制,”碩士論文， 國立台灣科技大學高分子工程系，2006
【24】Peitao Shi, Min Tan, Xiaojun Ma, “Open fuzzy force controller of Manipulators with unknown environment parameters,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, v2 ,p1056-1061 ,2000
【25】Atsushi Kato and Kouhei Ohnishi, “Robust force sensorless control in motion control system,” IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, 2006, p165-170
【26】Shih-Feng Chen, “The Spatial Conservative Congruence Transformation for Manipulator Stiffness Modeling with Coordinate and Noncoordinate Bases,” Journal of Robotic Systems 22(1),p 31-44, 2005
【27】J. J. E. Slotine, and W. Li, “Applied nonlinear control,” Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1991.
【28】 S. W. Kim, and J. J. Lee, “Design of a fuzzy controller with fuzzy sliding surface,” Fuzzy Sets and Systems, Vol.71, pp.359-367, 1995.
【29】 R. Palm, “Sliding mode fuzzy control,” IEEE Int. Conference Fuzzy System, San Diego, CA, pp.519-526, Mar. 1992.
【30】 L. X. Wang, “Stable adaptive fuzzy control of nonlinear systems,” IEEE Trans. Fuzzy System, vol.1, pp.146-155, 1993.
【31】 R. Palm, “Robust control by fuzzy sliding mode,” Automatica, Vol.30, No.9, pp.1429-1437, 1994.
【32】 S.C. Lin, and Y.Y. Chen, “Design of adaptive fuzzy sliding mode control for nonlinear system control,” in Proc. 3rd IEEE Conf. Fuzzy Syst., IEEE World congress Computat. Intell., Orlando, FL, Vol.1, pp.35-39, June 1994.
【33】 巫憲欣, ”以系統晶片發展具機器視覺之機械手臂運動控制,”碩士論文，國立台灣科技大學機械工程系，2006
【34】 吳智逸, ”可規劃系統晶片具立體視覺導引之機械手臂伺服控制,”碩士論文，國立台灣科技大學機械工程系，2006
【35】 林淑怡, ”X-Y精密定位平台於彩色濾光片影像對位控制之應用,”碩士論文，國立台灣科技大學機械工程系，2005
【36】 蔡金波, ”機器人於自動化組裝之應用,”碩士論文，國立台灣科技大學機械工程研究所，2003
【37】 查厚錦, ”機器手臂之運動軌跡規劃及力量控制研究,”碩士論文，中原大學機械工程學系，2000
【38】 連振勇, ”無需力量感測器之平面雙機械臂位置與力量控制,”碩士論文，國立中興大學機械工程學系，2000
【39】 http://www.national.com/ds/DC/ADC1205.pdf#page=1
【40】 http://www.national.com/pf/LM/LMD18200.html
【41】 ALTERA, “Nios II Software Developer’s Handbook,” ALTERA Corporation, 2005.
【42】 CIC, ALTERA Training manual-FPGA Design with Quartus II, 2003.
【43】 最新CMOS IC規格表，全華科技圖書股份有限公司，1995
【44】 Hong Suh, Jong Hyuck Hong , Sang-Rok Oh and Kwang Bae Kim, “Fuzzy Rule Based Position/Force Control of Industrial Manipulators,”
,IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems, Nov. 3-5,1991
【45】 Oussama Khatib and Joel Burdick,”Motion and Force Control of Robot Manipulators” IEEE,1986
【46】 黃安橋教授, ”非線性系統上課講義,” 國立台灣科技大學機械工程研究所.
【47】F.L Lewis,C.T Abdallah and D.M Dawson, ＂Control of Robot Manipulators　＂,1993 by Macmillan,高立圖書代理
【48】 ALTERA, “Altera Embedded Peripherals,” ALTERA Corporation, 2005.
【49】 ALTERA, “Nios II Development Board,” ALTERA Corporation, 2005