簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 陸俊瑋
Lu, Chun-Wei
論文名稱: 機械手臂之加速度觀測及其應用
Acceleration Observation for a Robotic Manipulator and Its Application
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: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 177
中文關鍵詞: 加速度估測壓電式加速規機械手臂加速度干擾補償器
英文關鍵詞: acceleration estimation, piezoelectric accelerometer, robotic manipulator, acceleration-based disturbance observer
DOI URL: https://doi.org/10.6345/NTNU202203314
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:211下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本文主旨為雙軸機械手臂加速度的估測,並且使用線性加速度感測器來量測。由於一般在市面上角加速度感測器比較難以取得,因此在實驗中使用線性加速度規。一般常用的線性加速度規通常是電容式與壓電式加速度規兩種。由於MEMS技術的進步使的電容式加速度規變得無所不在,但是與壓電式加速度規相比,電容式加速度規在頻寬與雜訊之間存在很大的衝突,因此限制了它們在高性能運動系統的應用。另一方面,壓電式加速度規在頻寬與雜訊之間有很好的平衡,卻無法量測低頻之加速度訊號。
    在本研究中,在具有兩個旋轉關節的雙軸機械手臂之末端安裝兩個壓電式加速度規,並且使用光學編碼器來測量兩個旋轉關節的角度。接著使用角度和壓電式加速度規所量測之線性加速度,估測出兩個旋轉關節的直角座標加速度。
    本文實驗平台採用TI TMS320C6713 DSP與Xilinx可程式閘陣列(FPGA)結合而成之控制器硬體核心,以C語言與硬體描述語言(VHDL)作為控制器設計之發展工具。本文實現所提出的加速度觀測器設計方法,並且使用加速度干擾補償器(ADOB),比較各種加速度訊號對於實驗平台控制性能之影響,由實驗結果可知本方法具有實用性。

    This paper considers the estimation of angular accelerations for a two-link robotic manipulator using linear accelerometers. Since angular accelerometers are not commonly available, linear accelerometers are used in this study. Popular linear accelerometers are of capacitive and piezoelectric types. Due to tremendous advance of the MEMS technology, capacitive accelerometers have become more ubiquitous. However, compared with piezoelectric accelerometers, capacitive accelerometers suffer from serious tradeoff between noise and bandwidth, which limits their application to high-performance motion systems. Piezoelectric accelerometers are excellent in terms of noise and bandwidth. However, they are unable to measure low-frequency acceleration.
    In this study, two piezoelectric accelerometers are attached to the end-effector of a two-link robotic manipulator with two revolute joints, and optical encoders are used to measure angular positions of the two revolute joints. With the information on the angular positions, accelerations of the revolute joints are then estimated using the linear accelerations provided by the piezoelectric accelerometers. An experimental study is conducted to demonstrate the feasibility of the proposed estimation scheme.
    In the experimental system, the control kernel is a DSP/FPGA system, and the C language and the VHDL are utilized as developing tools for the two-link robotic manipulator system. In experiments on tracking control, an acceleration-based disturbance observer (ADOB) is used to evaluate various acceleration observer design methods for performance comparison. Experimental results proved that the observer scheme produces better transient and steady responses than conventional approaches.

    摘 要 i ABSTRACT ii 致謝 iv 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xviii 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1加速度干擾估測器(Acceleration-Based Disturbance Observer, ADOB)[7] 2 1.2.2使用位置與加速度估測干擾(Position Acceleration Integrated Disturbance Observer,PAIDO)[8] 3 1.3 論文架構 4 第二章 雙軸機械手臂之系統描述 5 2.1 實驗系統架構 5 2.1.1 系統架構簡介 5 2.1.2 機械手臂校準 7 2.1.3 硬體設備 9 2.2 系統模型描述[9] 12 2.3 系統輸出入檢測[9] 14 2.4 系統鑑別 15 第三章 加速度觀測器設計與應用 18 3.1 受控體之座標轉換 18 3.2 加速度觀測器(Acceleration Observer)設計 19 3.3 PD控制之加速度觀測器模擬比較 22 第四章 實驗之控制器設計與比對數據設計 25 4.1 標稱控制器設計 25 4.2 實驗數據分析使用之各種性能指標 25 4.3 PAIDO參數調整分析 27 4.4 電容式加速規濾波器參數調整分析 33 第五章 加速度觀測器於干擾補償實驗 39 5.1 定位控制實驗 39 5.1.1 無干擾補償之定位控制實驗 39 5.1.2 加速度感測器比較於定位控制實驗 45 5.1.3 加速度補償於定位控制實驗 53 5.2 追軌控制實驗一 61 5.2.1無干擾補償之追軌實驗一 61 5.2.2加速度感測器比較於追軌控制實驗一 68 5.2.3 加速度補償於追軌控制實驗一 76 5.3 追軌控制實驗二 84 5.3.1無干擾補償之追軌實驗二 84 5.3.2加速度感測器比較於無環境追軌控制實驗 90 5.3.3 加速度補償於無環境追軌控制實驗二 98 5.4 追軌控制實驗三 106 5.4.1無干擾補償之追軌實驗三 106 5.4.2加速度感測器比較於無環境追軌控制實驗三 112 5.4.3 加速度補償於無環境追軌控制實驗三 120 第六章 加速度觀測器狀態回授實驗 128 6.1 加速度觀測器狀態回授之定位控制實驗 128 6.1.1 加速度觀測器之定位控制實驗 128 6.1.2 擴增型加速度觀測器之定位控制實驗 134 6.2 加速度觀測器狀態回授之追軌實驗一 140 6.2.1 加速度觀測器之追軌實驗一 140 6.2.2 擴增型加速度觀測器之追軌實驗一 146 6.3 加速度觀測器狀態回授之追軌實驗二 152 6.3.1 加速度觀測器之追軌實驗二 152 6.3.2 擴增型加速度觀測器之追軌實驗二 158 6.4 加速度觀測器狀態回授之追軌實驗三 164 6.4.1 加速度觀測器之追軌實驗三 164 6.4.2 擴增型加速度觀測器之追軌實驗三 170 第七章 結論 176 參考文獻 177

    [1] 盧世元,機械技術雜誌:機械手臂揮灑出自動化的願景,2009。
    [2] R. J. E. Merry, M. J. G. van de Molengraft and M. Steinbuch, Velocity and acceleration estimation for optical incremental encoders, Mechatronics, 20(1) (2010) 20 -26.
    [3] S. J. Ovaska and S. Valiviita. Angular acceleration measurement: A review, IEEE Trans. Instrum. Measur, 47(5) (1998) 1211–1217.
    [4] 333B50 Accelerometer Datasheet, PCB Piezotronics Inc.
    [5] ADXL325 Accelerometer Datasheet, Analog Devices Inc., 2004.
    [6] Vibration Division Product Catalog. PCB Piezotronics Inc., 2004.
    [7] 王彥鈞,無刷伺服馬達系統之加速度觀測與干擾補償,國立臺灣師範大學機電工程學系碩士論文,2015。
    [8] S. Katsura, K. Irie, and K. Ohnishi, Wideband force control by position-acceleration integrated disturbance observer, IEEE Trans. Instrum. Electron, 55(4) (2008) 1699-1706
    [9] 林益頤,雙軸機械手臂之平順控制,國立臺灣師範大學機電工程學系碩士論文,2014。

    無法下載圖示 本全文未授權公開
    QR CODE