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研究生： 葉品均
Yeh, Pin-Chun
論文名稱： 具二維力覺感測之撓性夾爪設計
Design of a Compliant Gripper with Two-Dimensional Force Sensing on Each Finger
指導教授： 藍兆杰
Lan, Chao-Chieh
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2023
畢業學年度： 112
語文別： 中文
論文頁數： 154
中文關鍵詞： 撓性夾爪 、二維力覺感測 、串聯彈性致動器 、平面線性彈簧 、靜力學模型 、環境接觸偵測 、光學編碼器
外文關鍵詞： Compliant gripper, two-dimensional force sensing, series elastic actuator, planar spring, static model
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    • 目前精密組裝產業仍然需耗費大量人力來進行，為了解決人力不足的問題並提高製造生產率，逐步採用機器人夾爪自動化是理想的解決方案，使用自動化可消除人為因素、減少勞動力成本及學習曲線、減少節拍時間並增加可靠性，而具有接近人手的功能及更廣泛的應用。本文以自動化產業的物件取放為研究重點，特別是對力覺敏感的產業應用，例如：電子零件的插件扣合、機械零件的緊配組裝及脆弱物件的取放，達到夾爪手指的獨立多方向力覺感知，且不影響手指操作時的方便性。
    本文將力覺感測器安置於傳動機構，利用光學編碼器配合靜力學模型估測當前接觸力，各指具有獨立多維的力覺感測能力，除了夾取物體所需之夾持力及插入力，還能感測夾爪與環境發生干涉之碰撞力並做出反應，保護夾爪於移動期間不損壞，夾取物件期間具有量測物件撓性的功能。本文夾爪使用步進馬達驅動以滾珠螺桿及皮帶輪組成之減速機構，為達到準確的夾持力及插入力的控制及感測，其中串聯彈性致動器的使用，運用撓性元件串接馬達與負載，可大幅降低馬達及減速機構之慣性與摩擦對機器末端輸出的影響，因此相較於剛性致動器可達成更精準的控制輸出力量，而平面線性彈簧的設計也將對夾爪性能表現及可靠度有所影響。
    本文共設計了三組原型機，並探討不同設計在實務方面的影響並改善，使用靜力學及運動學分別計算其靜力學模型，以利不同接觸力的計算並輔以工程模擬軟體驗證靜力學模型的準確性。此外，靜力學模型也用於預測夾爪性能，例如：最大夾持力及插入力、力量量測解析度、奇異點位置以及機械利益計算等，並以此為基礎設計下一型原型機，並針對原型第三型推導重力模型，確認重力對機構表現影響程度。
    本夾爪力覺感測應用情境共分為六種，依序為控制並量測夾持力、控制夾持力同時感測夾持力及插入力、量測x方向環境碰撞力、量測z方向環境碰撞力、物件撓性量測及因應環境變化之逆向驅動功能，針對以上應用情境進行原型機實驗前，本文先行調整機構，改善零件設計減少加工誤差對力量量測影響，校正參數後著手位置及夾持力重複度實驗。最後為上述六種應用情境實驗，尋找及分析其誤差來源，提供未來原型機設計參考。

    Various sensorized grippers aim to safely handle delicate objects and prevent environmental collisions by integrating sensors on finger surfaces for direct force measurements. However, this often leads to complex sensor placement and wire routing due to the requirement for multiple sensors on a single finger. Additionally, finger-based sensors are limited in their ability to sense external gripping force, making it challenging to adapt to objects with specific geometries. To address these challenges, our research proposes a compliant two-fingered gripper that relies on deformation sensing in the drivetrain's elastic elements to measure finger force. This approach uses a minimal number of optical encoders in the drivetrain, enabling two-dimensional and independent force sensing at any location on each finger, simplifying electronic complexity and offering flexibility in adapting to various object shapes.
    A static model calculates contact forces and predicts singularity, maximum gripping and support forces, force resolution, and mechanical advantage. Experimental verifications and gripping examples showcase the proposed gripper's merits, with high force and position repeatability. Tested in scenarios such as two-dimensional force sensing, object compliance measurement, and backdrivability, this compliant gripper presents a competitive solution for force-sensitive environments and manipulating objects. Expectations are high for its force-sensing potential to enhance robot manipulations in diverse applications, making it a valuable tool in the field of robotics.

    摘要 I English Abstract II 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 XIII 圖目錄 XV 符號說明 XX 第一章 緒論 1 1.1 背景介紹 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 夾爪驅動器與傳動機構之文獻回顧 2 1.2.2 機器人夾爪力覺感測方式之文獻回顧 4 1.2.3 夾持力控制方法之文獻回顧 5 1.2.4 市售機器人夾爪之回顧與規格比較 6 1.3 研究動機及目標 8 1.4 論文架構 9 第二章 具二維力覺感測之撓性夾爪設計 11 2.1 前言 11 2.2 夾爪構型設計及運動 11 2.2.1 夾爪機構概念選擇 11 2.2.2 機構簡圖與驅動原理 11 2.2.3 組件介紹 13 2.2.4 各原型演變簡介 14 2.2.5 應用情境介紹 16 2.3 原型第一型 17 2.3.1 原型設計 17 2.3.2 機構及參數設計 20 2.3.3 輸入彈簧設計 21 2.3.4 第一型輸出彈簧設計 25 2.3.5 原型第一型機構改善建議 27 2.4 原型第二型 29 2.4.1 原型設計 30 2.4.2 機構及參數設計 32 2.4.3 第二型輸出彈簧設計 33 2.4.4 原型第二型機構改善建議 35 2.5 原型第三型 35 2.5.1 原型設計 35 2.5.2 機構及參數設計 40 2.5.3 工作空間 41 2.5.4 第三型輸出彈簧設計 42 2.6 本章小結 43 第三章 靜力學模型建立 45 3.1 前言 45 3.2 靜力學模型建立 45 3.2.1 運動學與靜力學計算 45 3.2.2 原型第三型撓性手指之解析表達式 49 3.2.3 原型第三型剛性手指之解析表達式 50 3.2.4 原型第一型及第二型夾爪解析表達式 51 3.3 原型第三型之電腦輔助模型驗證 54 3.3.1 撓性手指之情境一控制夾持力 54 3.3.2 撓性手指之情境二控制插入力 57 3.3.3 撓性手指之情境三偵測x方向碰撞力 60 3.3.4 撓性手指之情境四偵測z方向碰撞力 62 3.3.5 剛性手指之情境四偵測z方向碰撞力 64 3.3.6 撓性手指之情境五物件撓性量測 66 3.4 原型第三型構型設計 67 3.4.1 原型第二型分析 67 3.4.2 原型第三型參數變因 67 3.4.3 設計改善建議 68 3.5 原型第三型之性能分析 69 3.5.1 奇異點位置 69 3.5.2 最大夾持力及插入力 70 3.5.3 力量解析度 71 3.5.4 手指移動路徑及解析度 72 3.5.5 夾取速度 73 3.5.6 機械利益 75 3.6 原型第三型之重力模型 76 3.6.1 重力模型簡化 76 3.6.2 加入重力之靜力學計算 78 3.6.3 解析解之電腦輔助模型驗證 82 3.6.4 夾持組件實體之重力影響 84 3.7 本章小結 87 第四章 機構調整及參數校正 88 4.1 前言 88 4.2 軟硬體配置 88 4.2.1 驅動器配置 88 4.2.2 等效質量計算 89 4.2.3 力量控制模型 90 4.3 等效剛性意義及模擬 93 4.3.1 等效剛性意義 93 4.3.2 等效剛性模擬 94 4.4 減速比係數鑑別及機構校正 95 4.4.1 第一次實驗 96 4.4.2 第二次實驗 97 4.5 輸入彈簧等效剛性實驗 99 4.5.1 實驗配置 99 4.5.2 不同荷重元量測結果比較 99 4.5.3 不同輸入彈簧變形量 101 4.5.4 建立等效剛性方程式 102 4.6 輸出彈簧等效剛性實驗 103 4.6.1 實驗配置 103 4.6.2 不同荷重元量測結果比較 103 4.6.3 不同輸出彈簧變形量 104 4.6.4 建立等效剛性方程式 105 4.7 重複度實驗 106 4.7.1 夾持力重複度實驗 106 4.7.2 位置重複度實驗 108 4.8 本章小結 109 第五章 應用情境實驗及分析 110 5.1 前言 110 5.2 夾持力實驗 110 5.2.1 實驗配置 110 5.2.2 實驗結果 110 5.3 插入力實驗 111 5.3.1 實驗配置 112 5.3.2 實驗結果 112 5.4 x方向碰撞實驗 114 5.4.1 實驗配置 114 5.4.2 實驗結果 115 5.5 z方向碰撞實驗 116 5.5.1 實驗配置 116 5.5.2 實驗結果 117 5.6 物件撓性量測實驗 119 5.6.1 實驗配置 119 5.6.2 實驗結果 119 5.7 逆向驅動實驗 120 5.7.1 配置及環境設定 121 5.7.2 實驗結果 121 5.8 本章小結 122 第六章 結論與可延伸之未來研究 124 6.1 結論 124 6.2 可延伸之未來研究 126 參考文獻 127

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