｜嵌入式夾爪力量感測與即時控制技術

摘要：工業用機械手臂已廣泛應用於生產線上，夾爪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監控，工件可能會被夾壞，或是無法正常夾起，因此如何控制手臂夾爪之夾持力量大小是一項很重要之主題。本文主要探討使用嵌入式微控制器作為核心之力量感測控制架構，配合自行設計的電路板與驅動電路，以及壓電感測材料，裝置於機器手臂之手爪上，達成以嵌入式晶片結合力量感測器之機械手臂力量控制。並建立機械手臂控制器與夾爪微控制器溝通之二位元通訊橋樑，使此系統可達成機械手臂具備挾持力量監控之物體夾取、搬運、放置自動化操作能力。

Abstract: Industrial robots have been widely employed in production line for various applications. The gripper is specified to grasp objects with different weight and force tolerance. If the grasping force is not well monitored, the object may be destroyed or fails successfully pick up. Hence, how to monitor the gripper contact force on-time is important for future intelligent applications. Although, robotic impedance control investigation had been proposed in literature by using multi-degree of freedom torque-force sensor, it is too expensive and complicated for general industrial applications. Hence, robotic gripper with embedded force control function is a good choice for robot end-effector. Here, the piezoelectric material and force sensitive   resistor (FSR) sensor are chosen as the gripper contacted force sensor and an embedded gripper control system is developed for the contact force monitoring. The model-free intelligent fuzzy sliding mode control strategy is employed to design the force controller.  A communication signal is to manipulate the switch function between robot arm position controller and gripper force controller for object pick-and-place automatic operation.

關鍵詞：壓電感測器、力量控制、 嵌入式控制系統

Keywords：Laser Cladding, Carbon Film, Metal Bipolar Plate, Fuel Cell

前言
近年來由於電子科技與晶片之蓬勃發展，機械手臂與各種壓電感測器之工業應用越來越廣泛。其中有很多未來之潛在應用需要力量控制，無論是工業上的合作搬運、組裝、避障、去毛邊、外型量測與焊接應用，或生活上如握手、玻璃的擦拭、人體按摩等應用，都需要適當的控制機器手臂與工件間的接觸力量，因而有不同控制架構陸續被提出。現有之多自由度力量感測器太貴，且其控制亦困難。因此本研究使用微控制器為核心之嵌入式力感測控制架構，配合自行設計的電路板與驅動電路，以及裝置於機器手臂之夾爪內側上之壓電力量感測器，運用混和運動控制的概念，發展一套嵌入式壓電力量感測技術與夾爪機構，建立機械手臂夾爪之簡易力量監控功能，使其可執行工件柔軟自動化取放之操作能力。

壓電感測器已經證實可用在快速和周期性的操作，與其他感測器相較，壓電感測器具有以下優點:壽命長、高靈敏度、頻寬範圍、測試頻率高與溫度適用範圍寬等優點。應用於感測技術上之常見壓電材料，主要是以PVDF（壓電薄膜）與PZT（壓電陶瓷）為主，根據先前之研究指出，PVDF和PZT材料應用層面各有其優缺點。壓電薄膜與壓電陶瓷相比，有較好的壓電係數、介電常數和較大形變量，故本研究優先使用軟性壓電薄膜PVDF微感測元件。壓電材質本身訊號微弱必須使用訊號放大器，其磁滯效應會造成漂移電位之產生，PCB壓電感測器會有不定性電位上升與下降之問題，較適用在大荷重與高頻變化情形，本研究中在空間整合實驗上選用FSR壓力感測器與PCB壓電感測器做比較。