花博機器人香草寶貝之機械手掌控制系統－robot 機器人

轉貼自:精密機械研究發展中心吉剛儀

一、前言
花博機器人香草寶貝為一表演用機器人，顧名思義其主要功能即為表演以及與民眾互動，因此能否以可愛的表情與靈活的動作來吸引普羅大眾的注意，達到宣傳與推廣展覽的效果是相當重要的環節。然而機器人若只有手臂沒有手掌來搭配動作，在運用肢體傳達的互動與表演便會較為單調，因此、花博機器人上配置可執行多樣化手勢的機械手掌是有其必要性。本文將為裝配在香草寶貝上的機械手掌，針對其系統架構與控制法則作一介紹。

二、系統介紹
機械手掌在驅動方式上可分為兩種，一種為直驅式（Build-in actuator），直接將馬達嵌入手掌內做為動力來源，另一種則是利用線來拉動的方式作為手指的動力來源（Wire driven），裝配在香草寶貝上的機械手掌為直驅式設計，其機構主要設計概念可參閱於2009年11月出刊之智慧型機器人產業情報報告No.36，導覽機器人機械手機構概念設計－以Upitor為例，其中有詳細的介紹。
其手掌規格為四指十二關節四自由度之機械手，系統配置規劃為一組驅動器搭配單一手指，手指驅動模組架構圖如圖一所示。

圖一單一手指驅動模系統架構圖

機械手模組採用分散式系統架構，四組驅動器分別驅動四隻手指，手指模組只負責運算移動定位，主控板負責將主電腦所下的手勢動作解析為連續動作並傳送命令至四指，以機器手連續張閉動作說明如下：
機器人主電腦傳送連續張閉掌命令至機械手，機械手主控板接收到命令後，將連續動作解析為各手指不同位置動作，在不同時間送出指令控制各手指，各指接收到指令後，再依指定速度移動位置，完成一連續手勢動作。流程圖如圖二所示。

圖二指令傳送流程圖

機械手使用此一架構優點如下：
‧ 四指驅動模組可快速替換，每一手指皆可獨立動作。
‧ 機器人主電腦只需下達所要之動作命令，不用針對不同手指下達不同指令，可減少主機運算量，降低中央處理器負擔。

三、控制法則
單一手指的控制可視為一閉迴路控制系統，控制器─單晶片、受控體─馬達、電位計迴授訊號，因此在機械手控制上採用最常見的比例微分控制（PD Control），數學方程式如下：

其中為控制量，為位置誤差，為位置誤差之微分，為目標位置，為目前位置。
因此可改寫方程式為：
利用上式即可完成PD定位控制的目標。

圖三為系統響應示意圖，從圖三可得知一旦手指控制模組收到目標位置命令後，將會依所設定的Kp、Kd值在最短的響應時間內完成移動，但直接將PD控制套用至手指系統中將會造成每次控制手指移動，都會是以系統最高速運作。

圖三系統響應示意圖

因此機械手掌還有另一個相當重要的功能需要在控制法則中實現，那就是可變化的速度，在手勢的變化當中，每次手指移動的速度皆不盡相同，為了達成此一功能需要將梯形速度控制加入手指控制系統中。
梯形速度控制主要的精神在於將每次所要移動的總距離，分割為固定時間內移動小段距離，累加成一完整的移動程序，如圖四所示，D為總距離，△Xd為每單位時間內所要移動的距離。由此，可以將手指系統套用至此一原理內，當手指收到目標位置時可從目前位置獲得總移動距離
假設移動總時間T與梯形分割區塊Z為已知，可得下式：

h為梯形之高，便可求得每單位時間t所增加的，使得手指模組自行更新所移動之目標值，達成速度控制的功能。

圖四梯形速度控制示意圖

四、結論
花博機器人之機械手掌因其特殊的功能要求，它不需要抓取重物，也不需要精準快速的移動定位，只要能作出多樣化的手勢動作，便可搭配其他功能達成推廣與宣傳的任務，圖五、六為香草寶貝右手實際手勢動作圖。
手指驅動模組內複雜的梯形速度控制，其實也把許多運算簡化，因為對一般人而言，手指移動速度的快慢，也只有很快、快、慢、很慢的模稜兩可分別，並無法用肉眼去分辨出正負10 mm/ms的速度差距。如此便可降低機械手掌控制模組硬體成本，以及縮短開發系統的研發時程，可讓表演機器人拉近與一般民眾的距離，打破機器人讓人感覺冷冰冰的刻板印象。