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研究生： 巫柏毅
Wu, Po-Yi
論文名稱： 具負載變動之機械手臂控制設計
Control Design for a Robotic Arm with Varying Loads
指導教授： 何明字
Ho, Min-Tzu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2022
畢業學年度： 110
語文別： 中文
論文頁數： 123
中文關鍵詞： 機械手臂 、自適應控制 、增益調控
外文關鍵詞： Robotics Arm, Adaptive Control, Gain Scheduling
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    • 本論文旨在研究負載物性變動下，單軸機械手臂的控制設計及實現，論文中先以Euler-Lagrange的方法建立數學動態模型，並以自適應控制及增益調控控制來設計控制器，接著以Simulink進行控制系統模擬並評估其控制效能及可行性。在機械手臂系統的機構設計上，吾人為了能夠使負載的移動自動化，因此採用馬達搭配螺桿的方式來移動負載。在實作上，吾人以數位訊號處理器做為控制核心，並使用C語言撰寫演算法進行控制。最後實驗結果顯示，自適應控制及增益調控控制皆具有良好的控制效能。

    The object of this thesis is to study the control design and implementation of a single-joint robot arm under the load varying. In this thesis, the Euler-Lagrange method is used to derive the mathematical dynamic model of the system, and the controllers are designed by adaptive control and gain scheduling control. Simulink is used to conduct the simulation of the control systems and evaluate the control effectiveness and feasibility. In the mechanical design, to control the movement of the load, a servo motor with a ball screw is used to move the load. In experiments, the designed control laws are implemented on a digital signal processor with the C language. Finally, the experimental results show that both adaptive control and gain scheduling control have good control performance.

    摘要 I Extended Abstract II 致謝 Ⅷ 目錄 Ⅸ 圖目錄 ⅩⅢ 表目錄 XⅥI 第一章 緒論 1-1 研究背景 1-1 1-2 研究動機及目的 1-1 1-3 研究步驟 1-2 1-4 相關文獻回顧 1-4 1-5 論文結構 1-5 第二章 單軸機械手臂之數學模型推導 2-1 前言 2-1 2-2 單軸機械手臂之動態數學模型 2-2 2-3 馬達數學模型之建立 2-5 第三章 實驗機構設計及製作 3-1 前言 3-1 3-2 機構平台設計 3-1 3-3 單軸機械手臂機構設計 3-3 第四章 單軸機械手臂物性估測 4-1 前言 4-1 4-2 遞迴最小平方法介紹 4-1 4-2-1 RLS初始值設定 4-5 4-2-2時變參數之RLS演算法 4-7 4-3 機械手臂系統物性參數識別 4-10 4-4 實驗結果 4-12 4-4-1資料濾波 4-12 4-4-2 RLS實作結果 4-16 4-4-3結果比較及驗證 4-17 4-4-4遺忘因子影響 4-19 第五章 自適應控制方法及模擬結果比較 5-1 前言 5-1 5-2 符號及定理說明 5-1 5-3 已知物性參數之控制方法 5-3 5-4 間接自適應控制 5-5 5-4-1典型的自適應控制器設計 5-6 5-4-2無角加速度回授之控制器設計 5-7 5-5 單軸機械手臂間接自適應控制模擬 5-11 5-5-1控制器參數固定之模擬結果 5-11 5-5-2一般間接自適應控制模擬結果 5-13 5-5-3無加速度回授之間接自適應控制模擬結果 5-17 第六章 增益調控控制設計及模擬 6-1 前言 6-1 6-2 增益調控控制介紹 6-1 6-3 重力補償機制介紹 6-3 6-4 重力補償控制模擬 6-3 6-5 增益調控控制模擬 6-4 第七章 單軸機械手臂控制實驗結果 7-1 前言 7-1 7-2 數位處理器間通訊實作 7-1 7-3 自適應控制實驗結果 7-2 7-3-1 RLS估測參數實驗結果 7-4 7-3-2物性固定之自適應控制實驗結果 7-5 7-3-3物性變動之自適應控制實驗結果 7-11 7-4 增益調控控制實驗結果 7-21 7-4-1控制器的建立及性能比較 7-21 7-4-2負載變動控制及增益調控控制實驗結果 7-24 7-5 總結 7-29 第八章 結論與未來展望 8-1 結論 8-1 8-2 未來展望 8-1 參考文獻 Ref-1

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