關節型機器手臂設計及控制之研究

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Title:	關節型機器手臂設計及控制之研究
Authors:	陳家偉洪清寶
Contributors:	電機工程系
Keywords:	伺服控制 I2C 關節型機器人電力控制系統 PID控制
Date:	2011-07
Issue Date:	2013-07-31 15:46:20 (UTC+8)
Publisher:	台中;國立勤益科技大學
Abstract:	本論文主要為進行一關節型機器人設計及控制方法之研究，以開發關節型機器人機構和電控系統設計為目標。論文內容主要包括有關節型機器人之機構設計，以及關節型機器人之電控系統設計。本文所探討之關節型機器人機構設計，包含有四個活動關節，每一個關節架構使用一直流伺服馬達連接減速機進行驅動，其減速機再透過皮帶來帶動時規齒輪做為每一關節旋轉之動力。時規齒輪連接在每一各別鋁製中空四方形管上，當其旋轉時作為各別擺臂，最前端之擺臂設計可以加載多種不同機構，如夾爪、吸盤、點焊…等，以符合各種功能之應用。電控系統包括主控板設計、伺服控制卡設計，以及主控板及伺服卡之通信功能設計。主控板將其關節型機器人所有動作全部編成軌跡命令，依動作之要求，使用I2C通信協定，發送控制命令傳送到各別伺服控制卡，藉由分散式的控制即可輕易達成關節型機器人之操控。本論文設計的關節型機器人主要由直流馬達所驅動，考慮到後續關節數延伸之問題，因此伺服控制卡設計為接收從主控板透過I²C介面傳送來的控制命令，再依命令各別完成閉迴路位置控制。藉此一架構之設計，伺服控制卡可依軸數之需求彈性堆疊，以應用於各種軸數之機器人控制。且控制卡之間藉由 I²C通信協定聯結，方便各種命令的傳送，且易於電控系統的維護、更換，簡化了機器人電控系統的設計，使電控系統的體積可以有效縮減。每一伺服控制卡的控制器設計，可透過軟體彈性修改。本論文中以Ziegler-Nichols法進行PID控制器的設計，簡化了控制器設計之複雜度。如何將高度非線性的複雜系統，藉由機構配合及系統簡化，以達成符合控制需求之控制器設計，本論文除透過基本理論說明外，最終並經由實驗驗證了所提架構及理論的可行性。
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