驅控整合模組機械手臂與機械視覺整合技術開發

摘要：為了降低機械手臂電控箱的設計難度與縮小電控箱的佔有體積，將機械手臂每一軸的馬達與驅動器整合成一驅控模組是一項極佳的解決方案。本文討論的驅控模組是採用工業乙太網路通訊協定(EtherCAT)當作模組之間以及與控制器之間的連線。驅控模組化的優點，在於可依不同的應用情境決定模組的數目，並將其組成串連型關節式的機械手臂，以符合實際應用之需求。此外，為了提昇機械手臂的高定位精度與高重複性，本文將另述工研院機器人控制器提昇機械手臂的精度流程。最後，以一個常見的工業應用情境(機械手臂與機械視覺整合)，展現驅控整合模組機械手臂的可行性與高精度表現。
Abstract：In order to reduce the design difficulty and the occupied volume of the electric control box of a robot manipulator, one solution is to integrate the motor and the driver of each joint of a robot manipulator into one single integrated joint module (hereinafter referred to as the smart joint). In this article, EtherCAT was adopted as the communication protocol between the smart joints and the robot controller. One advantage of the smart joint is that the number of joint modules could be determined according to different applications and the joint modules could form a serial type articulated robot manipulator to meet application demands. In addition, a process to improve the positioning accuracy and high repeatability of the robot manipulator was discussed in this article. Finally, a common industrial application (the integration of the robot manipulator and machine vision) was used to show the feasibility of the robot manipulator composed of the smart joints.

關鍵詞：驅控整合關節、機械手臂、手眼校正
Keywords：Smart ioint, Robot manipulator, Hand-eye calibration

前言
如何提高產能一直是製造業界亟欲解決的難題之一。而導入運作靈活的機械手臂於工廠內，用以改善人力操作的情形，此為可解決問題的方法之一，亦是目前的世界趨勢。工廠常用的機械手臂，其主要零組件是馬達與驅動器，兩者的擺放處分別設計在機械手臂關節處與電控箱內，之後，再透過傳輸線纜進行雙方的通訊，這樣的設計是最傳統且顯而易見的方式。然而，電控箱佔有的體積與配線的複雜度卻是影響工廠產能的兩項關鍵因素。在空間明顯有限制的工廠內，擺放不了過多的傳統機械手臂，因此改善人力的程度相當有限。另外，電控箱一旦故障，複雜的配線易導致除錯時程的延長，也是直接地影響到產能。為了使工廠的產線效能可以向上提升，可將機械手臂關節的馬達與驅動器整合成一體，此模組化的方式可以大幅縮小電控箱的體積，並極其簡化電控箱的配線程度。且，在機械手臂的保養與維護上，模組化的關節發生故障時，可直接替換整個模組，此為驅控整合模組帶來好處與便利[1]。
機械手臂的控制器與驅動器大多用RS-422或是RS-485作為通訊介面，這樣方式可降低驅動器端的實現成本，但控制器端的接收通訊就需要額外的硬體支援，而且傳輸資料的速度緩慢且不易控制。本文討論的驅控整合模組是用工業乙太網路的通訊標準之一(Ethernet for Control Automation Technology, EtherCAT)，作為模組與模組之間，以及模組與機器人控制器之間的通訊介面。機器人控制器只需內建網路卡，即可透過EtherCAT具備的全雙工特性，以及每秒可達到近200 mb的資料傳輸速率，在機器人控制內開發更高速度/高精度的運動控制技術。綜觀上述，EtherCAT使控制器擁有高通訊速率與低硬體實現成本的特色[2]。
機械手臂常被賦予單調且反覆的產線動作，而動作的準確度就是直接影響產能的因素。產線用的機械手臂需要考量的精確度有兩部份，機械手臂本身的精度與加裝工具的中心點。提高機械手臂自身的精度，即是降低機械手臂控制器軟體的命令點位與機械手臂末端點硬體的到達點位之間的差距。多數點位的資料量測搭配最佳化演算法的使用，可直接對機械手臂進行精度的校正，即降低點位的誤差[3]。另外，當加裝在機械手臂上的工具有製程尺寸的誤差時，亦會影響機械手臂與工具配合的工作成效，而工具中心點校正方法可以減少加裝工具後機械手臂的定位誤差[4]。
上述的校正技術確實可以提昇機械手臂自身的準確度與重現性，然而，除了旋轉編碼器之外，當機械手臂沒有其他空間感知器時，機械手臂只可使用教導點位方式到達工件位置。在自動控制觀念裡，教導點位方法是一種開迴路系統 (open-loop system) 的控制法則，如圖1(a)所示。為使機械手臂更具備智慧化與自動化，增加空間感知的感測器是必要的方法之一，使機械手臂的動作過程成為閉迴路系統 (closed-loop system)，如圖1(b)所示。最常見與機械手臂整合的空間感測器即是攝影機(機械視覺)。機械手臂在教導點位過程中可以透過機械視覺的資訊修正原先設定的工件位置，用以提高定位的成功率。在增加攝影機後的機械手臂定位系統中，機械手臂座標、工件座標、以及攝影機座標，三者之間的轉換關係極為重要，控制器需具備座標轉換的演算法(簡稱手眼校正)，方能正確地執行機械手臂的定位動作[5]。