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研究生: 林益頤
Yi-Yi, Lin
論文名稱: 雙軸機械手臂之平順控制
Smooth Control of a Two-Link Robot Manipulator
指導教授: 呂有勝
Lu, Yu-Sheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 計算力矩控制機械手臂急動度限制下時間最佳化控制痙攣度限制下時間最佳化控制
英文關鍵詞: computed torque control, robot manipulator, jerk-constrained time-optimal control, snap-constrained time-optimal control
論文種類: 學術論文
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  • 本論文研究主旨為將各種平順控制方法應用於雙軸機械手臂之定位。雙軸機械手臂為耦合的非線性系統,在此我們使用計算力矩控制(Computed Torque Control)方法將其解耦為線性系統之後,再設計各種時間最佳化平順控制器。
    研究動機是因為機械系統中若急動度(即,加速度對時間的微分量)太大常常會對系統造成不好的影響。基於此點,本論文限制雙軸機械手臂的最大急動度,設計急動度限制下時間最佳化控制(Jerk-Constrained Time-Optimal Control, JCTOC);此外,更進一步限制痙攣度,其為急動度的再一次微分量,設計痙攣度限制下時間最佳化控制(Snap-Constrained Time-Optimal Control, SCTOC)。
    在實作上,本研究將平順控制法則實現於雙軸機械手臂,使用的實驗平台核心控制器為DSP搭配具可程式陣列閘(FPGA)之實驗室自製擴充子板,FPGA方面使用VHDL規劃週邊界面,而DSP方面使用C語言實現各種控制法則。實驗結果顯示,藉由限制住受控體輸出之高階微分量,雙軸機械手臂在定位時能擁有平順的響應,且相較於傳統的線性控制器能達到更短的安定時間。

    This paper presents two smooth control methods for the positioning of a two-link robot manipulator. The two-link robot manipulator is a coupled nonlinear system, and the so-called computed torque control method is employed to obtain a linear model. Then, the linear model is used to develop the smooth control methods.
    In mechanical systems, if jerk (i.e., the time derivative of acceleration) is too high, it may have adverse effects on the systems and even cause system instability. To avoid the problems with high jerk, jerk-constrained time-optimal control (JCTOC) method is proposed, which constrains the maximum admissible jerk and uses the time-optimal control (TOC) method to produce smooth but fast responses. Furthermore, snap-constrained time-optimal control (SCTOC) method is proposed to constrain the snap, which is the time derivative of jerk, for even smoother responses.
    In the experimental system, the control kernel is a DSP/FPGA system, and the C language and the VHDL are utilized as development tools for the control system. Experiments of the smooth control methods have been conducted and results show that the proposed smooth control methods are able to yield smoother and also faster responses than the conventional linear approach.

    摘要 ⅰ ABSTRACT ⅱ 目錄 ⅲ 圖目錄 ⅵ 表目錄 ⅷ 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.2.1 積分型干擾估測器(INTEGRAL DISTURBANCE OBSERVER, IDOB) 3 1.2.2 PD控制器 4 1.3 論文架構 6 第二章 雙軸機械手臂之系統描述 7 2.1 實體系統系統架構 7 2.1.1 系統架構簡介 7 2.1.2 硬體設備 8 2.1.3 系統之位置與速度回授 11 2.2 系統模型描述 12 2.3 電壓轉力矩常數 14 2.4 電壓轉速度常數 16 2.4.1 第一軸電壓轉速度常數鑑別實驗 16 2.4.2 第二軸電壓轉速度常數鑑別實驗 17 2.5 系統鑑別 18 2.5.1 第一軸系統鑑別 18 2.5.2 第二軸系統鑑別 20 2.5.3 阻尼鑑別 22 第三章 急動度限制下之時間最佳化控制(JCTOC) 27 3.1 三階積分系統時間最佳化控制(TIME OPTIMAL CONTROL, TOC) 27 3.2 急動度限制下時間最佳化控制 29 第四章 JCTOC實驗方法與結果 37 4.1 實驗數據分析使用之各種性能指標 37 4.2 PD, JCTOC相同安定時間下定位控制實驗 39 4.2.1 時域上分析 39 4.2.2 頻域上分析 41 4.3 PD, JCTOC相同最大控制量下定位控制實驗 44 4.3.1 時域上分析 44 4.3.2 頻域上分析 46 第五章 痙攣度限制下之時間最佳化控制(SCTOC) 49 5.1 四階積分系統時間最佳化控制(TIME OPTIMAL CONTROL, TOC) 49 5.2 痙攣度限制下之雙軸機械手臂時間最佳化控制 51 第六章 SCTOC實驗方法與結果 61 6.1 PD, JCTOC, SCTOC相同安定時間下定位控制比較實驗 61 6.1.1 時域上分析 61 6.1.2 頻域上分析 64 6.2 PD, JCTOC, SCTOC相同最大控制量下定位控制比較實驗 67 6.2.1 時域上分析 67 6.2.2 頻域上分析 69 第七章 結論 72 參考文獻 73 附錄A JCTOC進入切換平面時間理論值推導 75 附錄B 不同形式之三階TOC等價證明 79

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