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研究生： 高國涵
Kao, Kuo-Han
論文名稱： 以形狀記憶合金驅動之仿生手設計與其影像伺服控制
Design and Visual Servo Control of a SMA Actuated Biomimetic Hand
指導教授： 田思齊
Tien, Szu-Chi
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： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 78
中文關鍵詞： 形狀記憶合金 、仿生手 、影像伺服
外文關鍵詞： Shape Memory Alloy, biomimetic hand, visual servo control
相關次數： 點閱：120  下載：2 
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    • 本論文的主要目的為設計以形狀記憶合金驅動之仿生手，並利用影像伺服控制使其指尖到達目標位置。本文中所設計之仿生手，其姿態由驅動各關節的形狀記憶合金的形變量所決定，因此控制形狀記憶合金的形變量即可控制仿生手的姿態。然而，存在形狀記憶合金之中的遲滯現象與環境溫度的不穩定導致其形變量控制的困難，因此我們採用inverse Preisach模型補償其遲滯現象，並使用基於參考模型的適應控制器，使形狀記憶合金的模型趨近於參考模型。在本文中的仿生手架構下我們無需量測形狀記憶合金的形變量，而是藉由影像偵測指尖的位置，並配合逆向運動學的模型計算出形狀記憶合金的形變量。最後，我們基於現有的形狀記憶合金之形變控制器，利用運動學及逆向運動學的模型與影像伺服控制結合，以實現我們對仿生手的定位控制。

    The purpose of this thesis is to design a shape memory alloy(SMA) actuated biomimetic hand, and to achieve precision positioning of its fingers with visual servo
    control. The posture of the biomimetic hand in this thesis is determined by deformations of SMA connected to each joints; therefore, controlling the deformations of SMAs will control the posture of the biomimetic hand. However, hysteresis in the SMA and the fluctuation of ambient uncertain temperature wake difficult to control the deformation of SMA. In order to control the deformation of SMA precisely, we use inverse Preisach model to compensate the hysteresis, and use a reference model based adaptive controller to make the performance of SMA close to the reference model. In this research, the deformations of the SMA were not measured directly. In contrast, we detect the position of fingertip from the image, and calculate the deformations of the SMAs with inverse kinematic model. At last, with the aid of kinematic and inverse kinematic model, the controller of the visual servo system for precision positioning of the biomimetic hand was integrated to our deformation of SMA.

    目錄 頁碼 圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 符號表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 第一章: 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 現有仿生手 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.1 Utah/MIT Hand[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Rutgers Hand[8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.3 Barrett Hand[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.4 NTU hand[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 以形狀記憶合金(SMA)實現仿生手 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 以影像做為感測器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 研究目標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 本文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 第二章: 設計與分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 仿生學 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 人類手部構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 仿生手機構設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.1 指骨尺寸 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.2 關節自由度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.3 關節驅動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.4 各關節獨立 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 運動學分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.1 SMA-關節 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.2 關節-指尖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.3 逆向運動學分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 設計結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 第三章: 影像處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.1 背景處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 邊緣偵測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.1 Sobel(索貝爾)法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2.2 Laplacian法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.3 Canny法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 霍氏轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1 直線霍氏轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.2 圓形霍氏轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4 物件追蹤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 第四章: 仿生手之模型量測、運動控制及模擬... . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1 SMA原理及特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 SMA建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.1 Preisach模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Inverse Preisach模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2.3 線性模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3 仿生手控制器設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.1 最佳化前饋控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.2 適應控制器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4 仿生手運動控制模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 第五章: 實驗結果與討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.1 適應控制參數測試實驗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.2 單指定位實驗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3 討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4 多指定位實驗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 第六章: 結論與未來工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2 未來工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 附錄 A: 實驗器材規格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 A.1 仿生手架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 A.2 放大電路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 A.3 類比輸出卡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 A.4 相機及影像擷取卡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 附錄 B: 影像校正方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 附錄 C: 逆向運動學內插法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 附錄 D: 仿生手架構下SMA力學分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

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    下載圖示 校內：2014-07-09公開
    校外：2014-07-09公開
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