六轴机械臂之控制理论分析与应用.pdfVIP

題目：六軸機械臂之控制理論分析與應用 作者 江修 黃偉峰 工研院機械所 工研院機械所 智慧機械技術組 智慧機械技術組 機電控制整合部 機電控制整合部 關鍵字 機器人 Robot 整合式運動定位 IC EPCIO 機械臂 Robotics Manipulators 正向運動學 Forward Kinematics 反向運動學 Inverse Kinematics 奇異點 Singularity 奇異帶 Singular Band 摘要 本文介紹六軸機械臂運動學(kinematics) ，包含正向運動學（forward kinematics ）,反向運動學（inverse kinematics ）,奇異點迴避等問題。另外也 介紹了機器人設置考量及使用場合。在運動學推導部份，特別著重使用幾 何觀點進行推導，用這種方式，使用者很容易將六軸機械臂計算方程式化 為最簡方程，可大幅增進計算效能，並且提昇對機構認知能力。 1 前言 從 20 世紀中葉，機器人從理論研究開始走向實用階段﹐在多種領域尤其是 工業、娛樂業、科學研究與太空等領域被廣泛應用。 在機器人的歷史上，機器人(robots)這個名詞最早出現在 1921 年捷克劇作家 Karel Capek 的科幻劇本“Rossum’s Universal Robots ＂中 ，Robots其原意 是”forced labor” 。 但是實用機器人技術研究是在 20 世紀 50 年代才開始起步﹐ 1962 年第一台工業機器人被安裝在 General Motor 公司的生產線上。時至今日， 世界上已有上百萬臺工業機器人在服役﹐其中有 90％的機器人應用於工業領域﹐ 在汽車和半導體製造業應用尤為廣泛(Fig-1 ，Fig-2 取自 Fanuc 網站) 。80 年代末 期，日本等國家開始進行高度智慧化機器人之研究，其中最出名當屬 2000 年本 田汽車之 ASIMO 類人型機器人(Fig-3) 。ASIMO 之先進性及其所提出的願景，促 使世界許多國家大幅加大機器人領域的投資。 今日機器人的應用日益廣泛，因此對它各方面的探討也就非常的深入且廣 泛。其中機械臂的研製應可算是最基本的工作，但仍需面對包羅萬象的分門學 問。本文由六軸機械臂(6-joint Robotics manipulators) (Fig-4 ，取自 Fanuc 網站) 的設計研製開始著手研討。 六軸機械臂控制涉及運動學(kinematics) ，動力學(dynamics)及控制理論。 本 文主要著重於幾何觀點之運動學解算，包含由機械臂之工作點及姿態(posture) 來計算六軸旋轉角，及由旋轉角推空間工作點位置及姿態，以完成空間軌跡規劃 等。 Fig-2 Fig-1 Fig-3 Fig-4 2 機器人設置考量 安裝機器人或機械臂應考量下列原則 1.符合 4D 原則之工作，可考慮使用機器人。所謂 4D 是指 dull(呆板) 、dirty(骯 髒) 、dangerous(危險) 、difficult(困難) 。 2.是否有人願意以同樣代價進行該項工作。 3.機器人是用來簡化工作而非取代人類。 4.經濟考量，包含設置成本、效能、彈性度、維護成本等。 機器人應用場合 機器人除了正常維修保養﹐機器人可以每天 24 小時迅速、準確、不間斷地 工作﹐無需休息﹐也不會疲憊。機器人可以替代人去從事複雜危險環境下的工作， 也特別適合做一些對人來說是枯燥無味的重複工作。