基於工作空間分析之機械手臂機構設計

Abstract

機械手臂在農業、醫療和工業等領域的自動化操作中發揮著重要作用，其機構設計值得進一步研究。本文探討運用現今電腦高速運算的特性，設計機械手臂尺寸參數和其最佳放置位置。設計系統採用5自由度PUMA 560型機械手臂，使用者可以指定機械手臂的初始尺寸，以及端效器須達到的特定點座標及特定角度，且機械手臂各關節點致動器角度須滿足使用者指定的範圍，透過調整機械手臂的尺寸大小及位置，以工作空間分析來滿足使用者需求。設計系統需要考量致動器的角度範圍，求取機械手臂位置、連桿長度尺寸調整參數，並以最小工作空間為搜尋目標。 本文的方法將5自由度PUMA 560型機械手臂位置功能及方向功能分別解耦分析，以兩種方法探討機械手臂設計方式。方法1透過機械手臂其中3自由度在工作空間中的部分球形殼體空間來計算最佳化，以簡化定位問題，透過定義約束條件不等式，以搜尋計算機械手臂尺寸參數的最小尺寸調整參數、機械手臂的位置以及其關節角度，實現最小工作空間，並滿足使用者需求。方法2透過以致動器可能產生角度組合之向量分析，滿足機械手臂端效器須達到的特定角度，然後將選擇最少角度組合的特定點座標及其向量來計算機械手臂的位置，應用反向運動學用於檢查其餘各致動器角度是否滿足約束條件，再從所有滿足條件的組合中選出最小尺寸調整參數，以決定機械手臂的放置位置和致動器角度。以上兩種機械手臂設計方法均將端效器位置和方向功能解耦，以簡化機械手臂關節角度計算、尺寸參數和機械手臂放置等問題，最後比較兩方法之優缺點。