7-自由度 機器手臂之研究發展

機器手臂在自動化產線上已有廣泛的應用，典型的機器手臂具有六個自由度(六個旋轉關節)，故可使末端夾爪在空間中做出三個方向的平移以及三個方向的旋轉。人類的手臂與其相比則更靈巧，人手具有七個自由度( 最簡化 )，多了一個冗餘自由度，能做出更複雜的姿態。在某些應用中，如曲線焊接，焊接的空間狹小與動作複雜，若使用七自由度機器手臂(如圖)則比較容易完成，並且可以減少產線空間與增加可更改性。

本中心也著手於七自由度機器手臂的機構設計，系統架構及控制演算法的發展，圖為目前中心自行設計發展的第一代七自由度手臂iCeiRA arm I

 

 

手臂設計

全肢手臂的概念：

以往只將力量感測器安裝於手臂末端點來量測夾爪受力，若外力施加於手臂其他地方則無法感測，基於安全性及更多應用發展的考量，設計目標為每個手臂連桿皆能感測其所受外力，好比人的手臂一樣，不只手能感覺到力，前臂和上肢也能感覺到力。iCeiRA arm I第一到四個關節具有扭力量測結構，當手臂連桿受到外力，扭力感測器只會承受該外力對於此關節的扭轉分量，減少耦合雜訊，而手臂末端則加裝六軸力感測器，如此不論是夾爪、前臂或上肢受到的外力皆能由一個六軸力感測器與四個扭力感測器量測到的資訊計算而得。

中空軸關節：

iCeiRA arm I 使用7個直流馬達與中空軸型式的Harmonic Driver減速機，因此所有的線路可以由旋轉中心通過，使配線更簡單與可靠，關節也因此能360度旋轉。

 

控制演算法

線上軌跡產生器：

線上軌跡產生器包含兩個部分，第一個是平滑軌跡產生器，第二個部分是線上解逆運動學。

平滑軌跡產生器會根據目標位置在每一次伺服迴路產生新的位置命令，這一連串的命令形成的軌跡會滿足最大速度限制，加減速時皆以設定的最大加減速度移動，因此不論目標位置如何給定，手臂末端軌跡皆會以最快(最大加減速度)且速度連續的軌跡移動。在產生位置命令之後線上解逆運動學得到各關節旋轉角，並且包含冗餘自由度運動的計算。

冗餘自由度控制：

七軸手臂為冗餘手臂，當給定手臂末端一個空間中的位置方向，手臂可以有無限多種姿勢皆可滿足此位置方向，如圖，固定末端點的位置方向，手肘中心可以位於冗餘圓上的任意點，冗餘自由度控制除了可以控制手臂末端在空間中之移動，同時能任意操控手肘中心在冗餘圓上的運動，甚至更進一步做最佳化手臂姿勢決策。

目前iCeiRA arm I在此部分實作上結合冗餘自由度控制皆為即時計算，故已達到可以任意操控冗餘手臂而不需事先規畫路徑的功能，此功能可以應用在藉由感測未知資訊操控手臂的場合，如機器手臂視覺伺服。

未來該手臂平台會持續在冗餘手臂控制的研究，利用力量感測器研究冗餘手臂阻抗控制、混合位置力量控制等，並且與影像處理做結合，達到智慧型手臂自主抓取物體之功能。

中心也持續發展自製機器人系統，第二代iCeiRA arm II正在規劃中，以模組化關節為設計基礎，整合馬達電控系統，完成高自由度機器人之分散式控制系統，有效減少機器人體積，以期將來能用於人形機器人之建構。

 

展示

1. 七自由度機器手臂

iCeiRA arm I以典型六自由度機器手臂的姿勢抓取物體，發現無法避開障礙物，接著以冗餘自由度控制七自由度的手臂移動，成功以新的姿勢避開障礙抓取物體。

2. 固定末端點

iCeiRA arm I之末端點(夾爪中心或其夾取之筆尖)維持位置不變，但夾爪方向不斷變動而且伴隨冗餘自由度的運動，顯示七軸手臂的靈巧性。