[[alternative]]Design of six-axis robot manipulator and voice-coil-motor-based gripper

碩士[[abstract]]本論文提出一個六軸機械手臂之機構的設計實現方式以及一個夾爪之機構的設計實現方式與其控制方法。在六軸機械手臂之機構的設計實現上，本論文提出一些加強機構剛性以及馬達與減速機的配置方式來改善原先六軸機械手臂會晃動的問題，並且自行設計組裝一個諧和式減速機。在夾爪之機構的設計實現上，本論文設計一個音圈馬達傳動的機構，所實現的機構可以提高夾爪之行程為音圈馬達最高行程的二倍。在音圈馬達控制的設計實現上，本論文設計一個模糊控制器，並且用遺傳演算法來找到一個近似的最佳解參數集，使得所設計的模糊控制器會讓音圈馬達有不錯的控制效果。此外，在夾爪之開合精準度上，本論文設計一個量測平台來量測所設計實現之夾爪的開合精準度。從一些比較結果可知，本論文所提控制方法確實可以讓所設計實現的音圈馬達夾爪具有較佳的控制結果。[[abstract]]In this thesis, a mechanism design and implementation method of a six-axis robot manipulator, a mechanism design and implementation method of a gripper, and a control method for the gripper are proposed. In the design and implementation of the six-axis robot manipulator, a harmonic driver is designed and implemented, and some methods of strengthening mechanism rigidity and configuration reducer are proposed to improve the shaking problem of the previous six-axis robot manipulator. In the design and implementation of the gripper, a transmission mechanism with a voice coil motor is designed so that it can raise the gripper’s stroke to be twice of the maximum stroke of the voice coil motor. In the design and implementation of the voice coil motor control, a fuzzy controller based on a genetic algorithm is proposed to find an approximate optimal solution set of parameters so that the fuzzy controller can let the voice coil motor have a good control performance. Moreover, in the accuracy of the gripper’s opening and closing, a measurement platform is designed to measure the accuracy of the gripper’s opening and closing. From some comparison results, we can see that the implemented voice-coil-motor-based gripper controlled by the proposed control method does have better control results.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2論文架構 4 第二章 機械手臂系統介紹 5 2.1前言 5 2.2 六軸機械手臂機構設計 7 2.2.1 六軸機械手臂力矩計算 8 2.2.2 六軸機械手臂機構 15 2.3 六軸機械手臂系統架構 33 第三章 夾爪系統介紹 45 3.1前言 45 3.2音圈馬達夾爪機構設計 47 3.2.1 音圈馬達夾爪傳動機構 48 3.2.2 音圈馬達夾爪機構 51 3.3 音圈馬達夾爪系統架構 52 第四章 模糊控制器於夾爪系統之應用 60 4.1前言 60 4.2模糊控制器基本架構 60 4.3模糊控制器架構之夾爪系統 62 4.4遺傳演算法簡介 69 4.5遺傳演算法於夾爪系統模糊控制器設計 73 第五章 實驗結果 77 5.1基於遺傳演算法的模糊控制器 77 5.2量測平台 80 第六章 結論 83 參考文獻 84 獲獎經歷 87 圖目錄 圖 1.1、2003年到2014年工業機器人的全球年供應量 1 圖 2.1、機構設計流程圖 8 圖 2.2、六軸機械手臂平舉的姿勢示意圖 9 圖 2.3、第一軸馬達 10 圖 2.4、第一軸減速機 10 圖 2.5、第二軸馬達 11 圖 2.6、第二軸減速機 11 圖 2.7、第三軸馬達 11 圖 2.8、第三軸減速機 11 圖 2.9、第四軸馬達 11 圖 2.10、第四軸減速機 11 圖 2.11、第五軸馬達 11 圖 2.12、第五軸減速機 11 圖 2.13、第六軸馬達 11 圖 2.14、第六軸減速機 11 圖 2.15、末端點往回推算第五軸馬達所承受力矩的示意圖 12 圖 2.16、末端點往回推算第三軸馬達所承受力矩的示意圖 13 圖 2.17、末端點往回推算第二軸馬達所承受力矩的示意圖 14 圖 2.18、六軸機械手臂的3D CAD圖 15 圖 2.19、皮帶輪沒有制動力示意圖 16 圖 2.20、第一版第三軸與第五軸的減速機輸入部與輸出部示意圖 18 圖 2.21、第二版第三軸與第五軸的減速機輸入部與輸出部示意圖 18 圖 2.22、第一版第五軸關節空間圖 19 圖 2.23、諧和式減速機三個內部主要零件 19 圖 2.24、在諧和式減速機的設計安裝上所建議之潤滑油塗抹要領 21 圖 2.25、油封 23 圖 2.26、橡膠材料特性圖 23 圖 2.27、旋轉油封安裝環境設計 25 圖 2.28、旋轉油封基孔配合示意圖 26 圖 2.29、旋轉油封裝配孔建議設計圖 26 圖 2.30、本論文所自製完成之諧和式減速機的爆炸視圖 27 圖 2.31、諧和式減速機安裝順序 28 圖 2.32、第一版和第二版的大小臂機構對照圖 30 圖 2.33、第一版和第二版的六軸機械手臂對照圖 31 圖 2.34、六軸機械手臂系統架構圖 33 圖 2.35、研華工業電腦IPC-5120 34 圖 2.36、六軸機械手臂配電箱的電路圖 35 圖 2.37、六軸機械手臂配電箱的實體圖 36 圖 2.38、運動控制卡MC8881P的實體圖 36 圖 2.39、運動控制卡轉板的實體圖 37 圖 2.40、SCSI-II機外電纜線的實體圖 37 圖 2.41、六軸機械手臂使用之第五軸交流伺服馬達的實體圖 40 圖 2.42、IO控制卡LP-PCI-IO-020606的實體圖 40 圖 2.43、夾爪控制電路 41 圖 2.44、Arduino 控制板 42 圖 2.45、轉壓電路板 43 圖 3.1、機構設計流程圖 47 圖 3.2、第一代夾爪系統的傳動機構 48 圖 3.3、第二代夾爪系統的傳動機構 48 圖 3.4、第三代夾爪系統的傳動機構 48 圖 3.5、第四代夾爪系統的傳動機構 48 圖 3.6、正齒輪示意圖 49 圖 3.7、齒輪計算結果圖 50 圖 3.8、齒條齒輪傳動機構示意圖 51 圖 3.9、音圈馬達夾爪的3D CAD圖及實體圖 52 圖 3.10、音圈馬達夾爪系統架構圖 53 圖 3.11、DE0-Nano開發板 53 圖 3.12、勞倫斯原理 56 圖 3.13、音圈馬達結構 57 圖 3.14、音圈馬達實體圖 57 圖 4.1、模糊控制器的基本架構 61 圖 4.2、模糊控制器輸入與輸出變數 63 圖 4.3、輸入變數e的歸屬函數圖 65 圖 4.4、輸入變數Δe的歸屬函數圖 65 圖 4.5、輸出變數Dutyset的歸屬函數圖 66 圖 4.6、遺傳演算法流程圖 70 圖 4.7、單點交配示意圖 71 圖 4.8、兩點交配示意圖 72 圖 4.9、均勻交配示意圖 72 圖 4.10、突變運算示意圖 73 圖 4.11、輸入變數e的歸屬函數圖 74 圖 4.12、輸入變數Δe的歸屬函數圖 74 圖 4.13、輸出變數Dutyset的歸屬函數圖 75 圖 5.1、遺傳演算法歷代演化之最佳參數集的適應函式值 78 圖 5.2、輸入變數e的歸屬函數圖 79 圖 5.3、輸入變數Δe的歸屬函數圖 79 圖 5.4、輸入變數Dutyset的歸屬函數圖 79 圖 5.5、基於遺傳演算法的模糊控制器結果圖 80 圖 5.6、夾爪系統之控制開合精準度的量測平台之3D CAD圖與實體圖 81 圖 5.7、夾爪系統之控制開合精準度的量測流程圖 82 圖 5.8、兩組夾爪系統之精準度各別測試三十次的誤差圖 82 表目錄 表 2.1、實驗室歷年所研製的機械手臂系統表 6 表 2.2、實驗室歷年所研製機械手臂所使用三款馬達類型的特性表 7 表 2.3、六軸機械手臂的各部分對應名稱 9 表 2.4、六軸機械手臂所採用的馬達與減速機 10 表 2.5、第一版與第二版六軸機械手臂的減速機規格對照表 17 表 2.6、諧和式減速機原理 20 表 2.7、在諧和式減速機的設計安裝上所建議之保留的尺寸 21 表 2.8、在諧和式減速機的設計安裝上所建議之機殼加工精度 22 表 2.9、旋轉油封的種類 24 表 2.10、諧和式減速機規格 27 表 2.11、本論文所自製完成的諧和式減速機 28 表 2.12、第一版與第二版在第三軸與第五軸之機構差異的比較表 29 表 2.13、第一版與第二版的六軸機械手臂整體對照表 32 表 2.14、工業電腦的規格 34 表 2.15、運動控制卡MC8881P的規格 38 表 2.16、各軸交流伺服馬達驅動器 39 表 2.17、Arduino 控制板規格表 42 表 2.18、馬達驅動器規格 44 表 3.1、實驗室歷年所研製的夾爪系統表 46 表 3.2、實驗室歷年所研製機械夾爪所使用四款馬達類型的特性表 47 表 3.3、音圈馬達規格表 58 表 3.4、L298N馬達驅動器規格 58 表 3.5、光學尺規格 59 表 3.6、光電開關規格 59 表 4.1、音圈馬達的模糊規則庫（語言值表示方式） 67 表 4.2、音圈馬達的模糊規則庫（數值表示方式） 67 表 5.1、遺傳演算法參數設定 77 表 5.2、模糊控制器之各個參數的搜尋範圍與遺傳演算法之最終選取的參數值 78 表 5.3、KEYENCE雷射感測器規格 81[[note]]學號: 601470072, 學年度: 10