｜連桿驅動式機械人手掌設計與控制

摘要：近年來因工業用機械手臂應用於生產線上的需求增加，在生產線上需要夾持不同的物件，而不同的物件都有一定的受力容忍度，若不給予適當之力量大小，工件就會遭到破壞，因此如何控制機械手臂夾爪之夾持力量大小是一項很重要的課題。現有之多自由度力量感測器成本過高，且其控制裝置亦複雜。相較於夾爪式的機械手掌，具有人類手掌結構的機械手掌能夠抓取各種形狀的物件，並且靈活地操縱物件。現存的機械手掌為能達到人手般靈活度的設計，往往在體積與重量超過機械手的負荷。此外，還需要複雜的電腦控制器才能操縱高靈活的動作。複雜的機構與電腦軟硬體對設計機構與嵌入式軟硬體的工程師是個高難度的挑戰。

機械手掌與機械人是結合機械，電子與電腦程式的複雜機電整合系統。開發此複雜系統必須使用現代的電腦輔助工具，才能掌握跨越不同領域的眾多設計參數，我們運用快速成型（Rapid Prototyping）的電腦輔組工具，在短時間內，就完成整個機械手掌系統的開發工作。本文內容將介紹如何結合機械設計與控制系統設計的快速成型開發技術，使心力能夠集中在創新技術，並能在短時間內達成預計的目標。

為達到高靈活度與力量控制的功能，本文的機械手掌以10組線性直流馬達控制14個關節的手掌。所有控制器均鑲嵌於機械手掌結構。

Abstract: In recent years, the needs for industrial robot increse in the production line for grasping different objects. With different level of object’s strength, the applied grasping force should be properly controlled to avoid the damage of the workpiece. How to control the clamp strength of the jaws is very important. Existing multiple degrees of freedom force sensors are expensive and difficult to control. The robot hand also needs to fit the human-robot interaction between the environment and users. The existing high dexterity mechanical hand often suffers from large volume and weight and a complex computer controller in order to provide intricate finger actions. The complexity of hardware and software design in embedded system, constitute a real challenge to the design engineers. In order to achieve high flexibility of the mechanical palm, we use 10 linear DC motors, to control 14 movable joints, and all controllers are embedded in the palm structure of the robot hand.

Robot hand and a humanoid robot is a combination of mechanical, electronic and mechatronics systems. The development of this complex system must use modern computer-aided tools to master the design parameters across different disciplines. We use rapid control prototyping tools, to complete the development of the robot hand system in a very short time. This article reports how to combine the mechanical design and control system design, to rapidly prototype the robot hand, so that efforts can focus on innovative aspects, and to quickly achieve the expected goal.

關鍵詞：擬人機械手掌、嵌入式系統、人機介面

Keywords：Humanoid robot hand, Embedded systems, Human-machine interface

前言
我國多項3C及光電產品產量/值比位居全球前五大地位，產業上下游結構完整，具主導全球市場發展之實力，而輕薄短小、環保與智慧化的產品將成為未來產業的發展趨勢。近年來政府持續支持，導引產業逐漸加溫，國內面板與系統廠已投入並開發出產品，國內完整產業鏈供應的需求已產生。目前國內製造組裝業面臨3低的嚴峻挑戰：（1）低自動化程度、（2）低批量、（3）低毛利率。在大環境缺工與產品多變多樣化的趨勢下，傳統人海戰術已面臨嚴峻挑戰，未來人力缺口仍存在且更嚴重。因此，自動化取放、組裝與檢測需求相當高，需高誤差容忍性之嵌入式力感測相關模組與控制核心技術，以克服上述問題。

傳統的自動化，藉由專用機台的發展，可以大量、穩定生產消費者所需要的產品；隨著全球消費者習慣的改變，產品生命週期縮短，致使3C產業同步發生變化，少量多樣成為世界大趨勢；在台灣，3C製造業產值超過8000億台幣，但目前3C消費性產品製造的趨勢中，除了少量多樣的客製化製程外，產品生產週期亦愈來愈短，致使生產換線頻繁，而換線時間的增加，將導致產值及競爭力的下降。如何縮短換線工期，符合快速生產要求，以增加競爭力，成為3C彈性製程的重要課題。隨著台灣勞動力的下降及成本的高漲，產線為克服缺工問題，並同時協助人員於彈性製程上的精確組裝，將引入機器人使產線成為人機協同作業單元集合。而結合彈性入料與產業機器人精密定位的優點，同時保障人機協同作業時的安全要求，為當前產業迫切需要解決之議題。

台灣製造產業之產品生產製造分工，少量多樣高值化產品導致生產線換線頻繁且需要靈活彈性之自動化系統。自動化與智慧機器人技術導入生產線之自動化設備，已為全球先進國家之現況趨勢，國內業者之自動化系統，大多為引進國外系統，因面臨成本高昂使之導入不易；另一方面，國內自動化設備商尚缺乏相關技術能量與開發經驗。因此需求穩定且具彈性的泛用型機器人，而其中產業型機器人之關鍵模組與系統資訊整合技術仍尚待開發。

產業用機器人目前絕大多數仍採用位置控制，而在國際機器人技術的發展趨勢上，其中一項重要技術發展趨勢是提供機器人手眼力協調的控制能力，這將提供產業用機器人進一步擴展可應用的工作，如需要靠視覺導引取放物體、仰賴力量與運動控制進行工件組裝、需順應能力的人機共存工作等。針對此發展趨勢，世界級領先業者如ABB、Fanuc、KUKA皆不約而同開始投注資源於手眼力協調技術的開發，並開始探討相關技術用於電子產業、食品產業、傳統製造業上的可能性。其中針對電子產業智慧自動化，各大廠皆將亞洲區的消費性電子產業生產製造業視為銷售重點未來。而隨著中國工資攀升，我國生產製造自動化的需求與日俱增。然而組裝上最重要的手眼力協調控制技術卻是我國產業用機器人目前所缺乏的，而此技術所仰賴的手眼力協調機器人控制器也仍闕如。

開發機械手掌的目的不僅是賦予人型機器人與人類相同外觀的手掌，更賦予機械人高度靈活的動作能力，能夠進行複雜而纖細的服務工作，如握手，取用物品，使用工具等。機械手也可以應用於殘障人士的電子義肢，提供遠比傳統義肢更優越的性能與外觀。欲達到此目標，機械手掌必須具備有體積小、重量輕，外型逼真與高靈活度的特點[1-2]。

隨著機械人發展的趨勢，機械手掌的研發近來有大幅進展。德國航太總署（DLR）研發的DLR Hand II具有5根手指，擁有18個獨立馬達控制的齒輪驅動關節；指尖內建微小力量/力矩感測器，而尺寸約為人手1.5倍。但是它不計入主控制器時，重量已達3.5 Kg [3-4]。此外，日本早稻田大學的Twendy-one具有4隻手指，13個自由度；但尺寸更大，重量更重。兩者雖具有高靈活度，但龐大的尺寸與重量勢必增加手掌與機械人結合的困難。遑論符合電子義肢所需的節能與體積要求。其他諸如美國Barret Technology與Shadow Robot Company的機械手。前者採用纜繩驅動設計；後者採用氣動腱的設計。兩者雖然手掌本身的體積接近人手，但是驅動器與控制器的體積卻遠高與手掌。

本研究的目的是針對中小型機械人與電子義肢，開發具有高靈活度，體積小，重量輕的機械手，透過創新的機構設計與高性能的嵌入式控制系統，整合機構設計與嵌入式系統以達到此目標。由於機構設計與控制系統設計必須全面整合才能達到體積小的目標，我們透過最新的快速開發技術進行整個手掌的機電系統設計。後續文章中，我們首先介紹本機械手掌的機構設計特點。然後介紹嵌入式控制系統的硬體架構。然後說明如何使用機電整合的設計工具，進行從物理建模，系統參數鑑別，到控制器設計模擬，產生控制程式的程式碼，參數調整，以及建立3D虛擬控制介面的工作過程。最後，我們扼要說明結論。