｜小型終端效應器控制系統之研製

摘要：本文主要介紹一新型態之小型終端效應器之控制架構。為了有效減少終端效應器之體積與重量，採用線驅動控制方式將致動器與轉軸分離。然而，採用線驅動之方式使得各軸之間產生連動干擾之問題，造成各軸運動之準確性大為降低。吾人提出一預測模型方法可有效預測並解決此干擾問題。最後，並以一兩軸線驅動小型終端效應器為載具，驗證此方法之有效性。

Abstract: This paper introduces the control system of a newly developed small end-effector. By separating the actuators and joints using cable-driven technique, the size and weight of the end-effector can be drastically reduced. However, by using such a method, a critical issue - interference between joints – occurs and results in a significant error on each joint. To solve this issue, we propose a model to predict and eliminate the interference between each joint. Finally, an experiment is conducted via a small end-effector with 2-DOF. The results show that the proposed prediction model can ease the interference efficiently.

關鍵詞：線驅動控制、終端效應器、預測方法

Keywords：cable-driven control, end-effector, prediction method

前言
小型終端效應器，顧名思義是指末端小型可操作的裝置。在現今的機械臂發展的情況而言，一個小型且靈活的終端效應器在機器人手術（robotic surgery）扮演關鍵角色。機器人手術之技術於1985年開始逐漸茁壯，一路從傳統微創手術（Minimally invasive surgical）演進至單孔微創手術（Laparo-endoscopy single-site surgical），其目的皆是盡可能在微小創口，醫師利用高自由度之手術器械進行手術處理[1]。這期間，美國Columbia大學於2009年提出的Insertable Robotic Effector Platform （IERP）概念中，有種具5個自由度之蛇型構造的機械手臂（如圖1），其特殊彈性的構造以克服手術空間狹小之問題[2]。此外，美國TransEnterix公司開發的Spider單孔微創手術機械設備（如圖2），具有可360度旋轉的可撓性手術器械與萬向系統傳動等特性，可於病患體內進行單孔微創手術[3]。再者，日本名古屋大學研究團隊於2010年開發二自由度線驅操控微手臂（如圖 3）。此手臂具有獨立線材來控制夾爪與腕部，可使夾爪的開合不因腕軸轉動而產生影響[4]。美國Intuitive Surgical公司則是在da Vinci手術機器人中的末端夾爪具有多自由度的靈活性（如圖4）。

反觀，工業用之小型終端效應器，因工業工程的考量，以追求簡化單元模組的複雜性與提高穩定性為前提下，其型態多為直驅與單自由度居多（如圖5）。如欲做小範圍高靈活性的工作任務時（如細線夾持整列、導引）（概念如圖6所示），小型多自由度之終端效應器於工業發展，是一種值得深入研究之議題。本篇文章中，將針對兩自由度線驅小型終端效應器，介紹其控制架構、線驅控制方法。並且，以預測建模方法，建立其連動關係模型，用以抑制連動干擾問題，以達成解耦運動效果。