｜被動連桿設計與力感測順應控制

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。相較於一般工業用的客製化夾爪，被動順應的連桿設計具有仿人類手掌結構並能夠抓取各種形狀的物件，並且能靈活地操縱物件。具適應性的機械夾爪是結合機械，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, 簡稱RP）的電腦輔組工具，在短時間內，就完成整個機械夾爪系統的開發工作。

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，並對產業在高速智慧製造上的需求，建立嵌入式感測與可靠度測試相關技術，加速推動自動化產業的發展，以達縮短設備開發時間為此計畫之主要目的。

Abstract: In recent years, the needs for industrial robot in the production lines emerge. The industry uses the robot in the production line for grasping different objects, that different objects have a certain degree of stress tolerance. If the applied grasping force was not properly controlled, the work piece would be damaged. Due to this reason, how to control the size of the jaws of the clamp strength is a very important topic. Existing force sensors that can measure forces in multiple degrees of freedom are expensive and difficult to control. Compares to the customized designed, the gripper usually have less degree of freedom compares to the in-active linkage mechanism which is necessary for human-robot interaction between the environment and users. The adaptive gripper and 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 more innovative aspects, and the needs of industry in manufacture of high-speed wisdom, embedded the sensing and reliability testing technology, accelerate the development of automation industry, in order to shorten the device development are the main purpose of this plan.

關鍵詞：械夾爪、嵌入式系統、被動順應機械設計

Keywords：Mechanical gripper, Embedded systems, In-active linkage mechanism

前言
機械人與人類的互動關係，從早期代替人力做工業用途機器人開始，現代機械人除了在工業上持續發展之外，也以不同型態融入各種領域中。例如保全、教育、娛樂、醫療，為單一用途或多用途而設計的形式出現在人類社會中。隨著機器人的應用範圍日益廣泛，機器人與人的互動模式逐漸成為一個重要的研究課題。數十年來世界各國均有對此領域進行研究，並有許多論文[1][2]及產品問世：如日本Honda公司的Asimo機器人、專為老年人或行動不便人士所設計的步行輔助器和MIT大學設計的穿戴式輔具等知名產品或是成果發表。但現有的人形機械人中對於機械手臂多以傳統方式思考，將其視為「手掌的載體」而在設計上欠互動安全性；故近年有專家學者積極投入這項研究，希冀能改善現有的設計以達到「安全」、「方便」使用。

傳統對機械手臂的控制於在定位控制，因早期主要應用在工業為取代人而設計，目標是力求精確的位置移動及能快速反應；然而在移動過程中可能會遇到阻礙，而控制器為了完成目標，會加強控制輸出以排除干擾造成的影響，此時極可能造成危險意外發生，因此產生力量控制的設計[3][4]，可針對外力的變化調整控制器的輸出，以期降低意外發生的可能。順應控制為上述兩種控制策略混合而成，藉由建立一個低阻抗目標系統，當外力出現時根據目標系統的反應調節受控系統的輸出；若無外力時轉由定位控制更快達成定位目標。一般順應控制使用力感測器作為外力偵測的感測器，優點是可精確求得外力大小，而定位控制所需的編碼器已廣泛內建於各項工具，僅需安裝於接觸點即可同時達成力量/定位控制目的；缺點是力感測器價格昂貴，且只對安裝點的受力有反應。目前常見的解決方案是以加速規取代力感測器作為量測外力來源，優點為價格較低，且在非接觸點亦能測量到加速度的變化，可單獨使用或搭配其他感測器作為訊號來源；缺點是其量測值為合力對手臂造成的加速度變化，其中包含重力等非接觸力所造成的影響。

本研究目的在於設計多重感測器之順應控制系統，使用連桿設計與編碼器取代力感測器估測外力，並在夾爪設計中加入被動彈性機構；特點是可以靠機構的變化量取得力量資訊，而且藉由彈性機構吸收因高頻輸入產生的振動而不至於影響夾爪本體。完成之夾爪可結合不同位置與特性的多重感測器，以提高估計外力的準確度，以及順應控制器的設計; 並達成可估測外力，補償或放大外力與維護人機互動過程的安全性。除此之外，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夾爪的機電系統設計。