robot 機器人

就如癮科技所言~
夏天到了~
是該來杯"冰啤酒"
至於有哪些啤酒跟機器人有關ㄋ??
回顧之旅~
請連上癮科技專欄
就可以知悉了解囉!!
至於版主我~
還是喜歡自己開瓶的聲音。

2009~2010 FLL 世界盃機器人大賽 高雄小巨蛋現場直擊

發佈日期	2010.08.05

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其他

資料出處	精密機械研發中心 董為元

前言
2009~2010
FLL（First Lego
League）世界盃機器人大賽首度在高雄市進行為期2天（5月7日～5月8日）的決賽，這不僅是高雄市政府第一次爭取到國際性機器人競賽，也是台灣第一
次爭取到FFL世界盃機器人競賽的主辦權。筆者今年有幸擔任競賽評審，因此有機會瞭解整個競賽過程與運作，並介紹給大家。
FFL世界盃機器人競賽
是一項歷史悠久的機器人競賽，有別於一般機器人競賽所講求的速度與效率，FFL機器人競賽係結合機器人競技與以科學解決現實問題為主軸，旨在鼓勵孩子於競
賽過程中，透過科學的方法調查研究，進一步解決問題，培養孩子團隊合作、創意思考、主動實驗的態度。自1989年於美國首次舉辦以來，已有超過40個國家
的學童參與FLL機器人競賽，其參賽的對象係針對全世界9~16歲的兒童與青少年為主，每隊可由10位擁有不同專長與技能的成員組成，以解決競賽過程中可
能遭遇到的各種難題。
 

圖1 象徵最高榮譽的冠軍獎盃

台灣區選拔賽介紹
台灣區選拔賽，今年2月份於高雄國立科學工藝博物館舉辦決賽，共有385名來自全台各地的指導教練及學生報名參加（共32
支隊伍），爭取僅僅8張代表台灣參加國際賽的資格門票。根據本屆FLL組織全球同步公告的主題-「智慧移動大挑戰（Smart
Move）」，參賽隊伍需在有限的時間內完成符合競賽主題之作品，包含「簡報」、「機器人競技賽」兩大部份，其中為了在未來國際賽中順利對國際評審進行簡
報，因此在「簡報」的部份需以英文簡報方式呈現，對於國內參賽學生而言，著實是另一項挑戰。
台灣區選拔賽經過兩天的激烈比賽，來自高雄市的旗津國
小「魔術車潮」團隊獲得評審團一致肯定，榮獲台灣區選拔賽的第一名，旗津國小學童觀察到平時路上的車輛，大都只有一名駕駛在車內，對於有限的道路空間，易
造成上下班尖峰時段塞車的情形，因此，團隊共同設計出以個人移動載具為概念的「夥伴車」，雖然車體本身只能夠容納一個人，但是需要多人結伴同行時，每一台
「夥伴車」可依照乘載人數的需求，以模組化方式組合成一輛車體；此外，搭配智慧型交通號誌，可自動偵測車流量，進而控制紅綠燈秒數，如此，不僅可大幅降低
塞車情況，更可降低車輛因塞車產生的空氣污染與能源浪費。而第二名到第八名分別為台南市億載國小「雷敵傑特門」隊、高雄市陽明國小「太陽之子」隊、台北市
「EASY
GO」隊、新竹市實驗國小「紅血球」隊、高雄市苓洲國小「苓洲飛颺」隊、台北市「快樂移動」隊、新竹市亞太美國學校「旗開得勝」隊，這些隊伍將代表台灣參
加5月份於高雄巨蛋舉行的國際賽。
 

圖2 旗津國小「魔術車潮」評審過程

FFL世界盃機器人競賽介紹
2009~2010
FFL世界盃機器人競賽總計有23個國家，64支隊伍來台參賽。首先進行的是「簡報」賽程，各國代表隊按照時程，至指定會議室進行三場的簡報，分別為「研
究主題」，說明團隊如何發掘現實生活當中與「智慧移動」相關的問題，並提出創新解決方案。「團隊營運管理」，說明隊伍成員如何分工合作完成作品，過程中如
何維持團隊正常運作。「機器人機構設計」說明，讓評審瞭解該隊伍所設計的機器人機構概念與優勢，並解釋如何在競技賽當中完成任務。這次主題研究作品中，不
乏許多創意的構想，且兼顧可行性。台灣代表隊除了有旗津國小的個人移動載具-夥伴車的構想之外，還有陽明國小以災區重建為主題，深入八八風災災區實地拜
訪，提出以解決水災重建與山地運輸困難的構想。日本隊伍則想出在捷運列車自動門直接感應車票裡的感應晶片，省去收票口的手續，讓大眾捷運系統可以快速疏散
人潮。荷蘭隊伍則意識到都市擴張不斷威脅野生動物棲息地，導致經常有車輛撞死野生動物的情形，因此發想出可隔絕車輛通行的生態通道，達到都市發展與生態平
衡雙贏局面，目前該構想亦實際應用在當地，因此在研究主題方面獲得評審相當高的評價。
賽程進行到第二天，競賽場地周圍則可以看到充滿各國文化特色
的展示攤位，不管是評審或來賓，只要對任何一隊的作品有興趣，攤位裡的選手都會很熱情地跟大家解說作品設計概念。而當天真正的比賽則是在競賽場地中央區的
「機器人競技賽」，參賽機器人的硬體需以LEGOR機器人套件為平台，軟體則使用美商國家儀器公司（National
Instruments）LabVIEW為基礎架構開發之LEGOR
MindstormsR軟體，限時2分30秒內挑戰包含機器人抓取圓環、車輛碰撞測試、碰撞通行號誌、感應牆維持直立、維持乘客安全並送達目的地等全自主
任務。比賽時間，筆者留意到獲得好成績之隊伍，以獲得滿分的旗津國小為例，不僅具備成熟程式撰寫能力，以確保機器人精準完成任務，另一方面也兼顧機器人車
體的機構設計，除了有效配置感測器之外，同時善用策略物件（零件），以達到最短時間內完比賽。
 

圖3 墨西哥代表隊攤位及作品

 
圖4 台灣代表隊之一攤位及作品

今年FLL世界盃機器人競賽一共頒發了14個獎項，來自德國的「AUP」團隊，由於機器人模組設計紮實，研究主題創新且具有高度可行性，評審團一致
認為該隊具備最佳的整體表現，因此抱走冠軍成為今年競賽最大贏家。而另一個大贏家則是台灣隊，由3支隊伍合力將4座獎項留在台灣；旗津國小的「魔術車潮」
延續台灣區選拔賽奪冠的氣勢，在機器人競技PK賽中打敗中國及以色列團隊，一舉囊括「機器人最佳表現獎」與「主辦國隊伍表現優異獎」；陽明國小的「太陽之
子」則獲得「裁判團獎」，苓洲國小的「SS501」隊獲得「創意簡報獎」。
 

圖5 德國代表隊AUP抱走冠軍獎

 
圖6 旗津國小獲得機器人最佳表現獎與主辦國隊伍表現優異獎

 
圖7 陽明國小獲得裁判團獎

 
圖8 苓洲國小獲得創意簡報獎

小結
樂高（LEGO）自1998年推出第一代樂高機器人（8482–CyberMaster）以來，台灣隊伍即以5年的時間在國際樂高機器
人競賽（包含FFL世界盃機器人競賽與WRO國際奧林匹克機器人大賽）屢創佳績，一方面歸功於學生展現對於機器人科學的無比熱情，肯犧牲自己休閒時間投入
研究與實驗之外，學校多元的教育體制，將機器人課程導入，同時教育家長協同參與，無疑是這些小選手參賽的最佳後盾。然而，要培養一支可在國際競賽發光發熱
的隊伍，以旗津國小為例，經常需面對經費來源的現實問題，必須對外籌措經費，因此未來若能獲得政府支持，提供更好的硬體與資源，同時規劃從小到大的整體機
器人教育養成計畫，相信不只可以造就更多世界冠軍與台灣之光，對於台灣機器人產業而言，由於機器人基礎教育的深耕，未來將培養出更多產業人才。
而
據研究報告指出，2009年全球服務型機器人約有100億美元的產值，其中教育娛樂機器人佔5.14億美元，加上少子化的人口結構趨勢，家長願意花費更多
時間與金錢投資子女，造就國內有開辦機器人課程的補習班與研習營，如雨後春筍般林立。國內坊間針對青少年以下學子開辦的機器人課程，有部份是採用台灣廠商
自行開發的機器人平台：如洛奇科技開發的科學魔法車，以自行開發的麵包板為基礎，藉由電阻、電容等零件的搭配實驗，讓小朋友學習基本電學原理；利基應用科
技以自行開發之BASIC
Commander單板個人電腦為基礎，搭配週邊模組與零件，透過教學課程，學生可學習單板電腦程式控制、週邊模組應用，自行完成高階的機器人作品。這類
國內自行開發的機器人套件與課程本身具備價格便宜與中文化介面的優勢，雖有助於進一步推廣國內教育機器人套件，但事實上在知名度與普遍性仍不及以樂高機器
人為平台的課程。
筆者以為，樂高機器人套件較為普及原因，除了國內推廣行之有年之外，套件本身具有無限組裝創意的特性亦是吸引人之處，此外，更重
要的原因為，每年透過國際大賽的舉辦，提供國內學子在國際舞台上發揮所學，甚至有機會在國際競賽上獲獎，這也是家長願意支持孩子參與學習樂高機器人平台的
最大原因之一。國內自行開發的教育機器人套件或許可以此為借鏡，一方面持續強化套件本身趣味性與教育性，啟發學童的學習興趣；另一方面可積極尋求與官方單
位共同舉辦大型競賽，讓學童能夠以參賽經驗與獲獎認證，做為日後升學優勢，而競賽本身若能與國際上既有的競賽接軌，讓國內賽優勝的隊伍沿用相同的機器人套
件進一步參與國際大賽，對於廠商而言，等同藉由參賽隊伍在國際性舞台推廣自家產品；對於學生而言，則可獲得出國交流與學習的寶貴經驗。

RC SERVO之PWM控制範例

發佈日期	2010.08.05

類　　別

技術

資料出處	機器人夢工廠 安東尼

RC
SERVO為多數小型機器人最主要的致動器，它的體積小、重量輕並且可提供精確的旋轉角度與足夠的扭力，目前市面上知名的廠牌國產的有祥儀、廣營、栗研
等，日、韓系則有Kondo、Hitec所生產的RC SERVO大部份是透過PWM（脈波寬度調變）來控制。本文將逐步介紹PWM原理、RC
SERVO feedback功能、如何使用單板電腦RoBoard產生PWM來控制RC SERVO，最後以KONDO的KRS 788HV RC
SERVO為例，編寫一個以示教方式教導機器人完成揮手動作的程式。讓閱讀過本文的讀者了解到RC
SERVO的控制原理，以及對如何編輯機器人動作有初步的概念。

什麼是PWM訊號？
它是Pulse Width Modulation的縮寫，是將訊號編碼於脈波寬度上的一種技術，此技術以數位方式來模擬類比訊號，廣泛應用在資料傳輸上。而因數位訊號只存在High，LOW電位的變化，相較於類比訊號，比較不會受到雜訊干擾。
PWM
訊號中，脈波寬度在整個週期所占的比例稱為工作週期（duty cycle），是指位於邏輯高準位（logic high
level）的波型在整個週期中占所的比例。下圖一說明兩個不同工作週期的波型差異，其中30%工作週期的波型位於邏輯高準位的時間少於50%工作週期的
波型。
 

圖一 固定週期不同duty cycle的PWM波型

PWM如何控制RC SERVO？
市面上的RC
SERVO控制介面可分為以下幾種：PWM、RS232、RS485、I2C，其中PWM控制是一種受歡迎的控制方式，一般是利用duty cycle
high的寬度來控制RC SERVO的旋轉角度，舉例來說，KONDO KRS-788HV這個SERVO所接受的duty cycle
high寬度介於700us~2300us之間，因此使用者必須提供此範圍的PWM訊號才能令它動作。
下圖二為改變duty cycle high寬度來控制RC SERVO角度示意圖，以KRS-788HV為例，給予1500us的PWM訊號，它會轉到90度處（因為1500us寬度為中間值，KRS-788HV的可動角度為0~180度，所以對應到中間位置）。
 

圖二 改變PWM duty cycle控制RC SERVO角度示意圖

不同的RC SERVO製造商就會有不同的預設PWM與旋轉角度範圍（一般是180度或270度），所以在控制之前，最好先仔細閱讀使用手冊。
一般以PWM訊號控制的RC SERVO對外連接線如下圖三所示，白線為PWM訊號線，紅線為電源線，黑線為地線，使用者通常會透過微處理器連接SERVO 控制器來提供PWM訊號及電源，但RoBoard已經將兩者整合，在使用上較為方便。
 

圖三 PWM SERVO對外連接接頭

RC SERVO的feedback功能
在許多以PWM 控制的RC
SERVO中，功能上還可分為：具有feedback與沒有feedback兩種，前者具有回傳絕對角度的功能，後者則沒有，所以前者可讓使用者得知RC
SERVO目前所在的絕對角度（必須傳送一特殊PWM訊號）。我們可以利用feedback來完成：以示教方式編輯機器人動作、閉迴路的角度控制等功能。

RoBoard上RC SERVO接口位置
RoBoard有高達24組的RC
SERVO連接埠，如下圖四，靠外側的腳位為地線，中間為電源輸出，內側為PWM訊號輸出，編號排序依序為右下方的00至左上方的23，圖五是將伺服馬達
安裝至RoBoard上的情形。（注意：RoBoard支援的電壓為6~24V，且RC
SERVO連接埠輸出電壓（圖中的Vxx）與RoBoard的輸入電壓相同，若使用的馬達運作電壓為12V，請提供12V電壓給RoBoard。）
 

圖四 的RC SERVO接口

 
圖五 將3個SERVO安裝在的SERVO連接埠0、1、2

RoBoIO Library中RCSERVO 相關函數簡要說明
1. rcservo_SetServo(channel, servono)
說明：設定channel上所使用的馬達型態，通常在rcservo_Initialize()之前呼叫。
輸入參數一：channel，一個0~23的數字。
輸入參數二：servono，馬達型態。
（1） RCSERVO_KONDO_KRS78X，代表使用的馬達是KONDO KRS786ICS、KRS788HV。
（2） RCSERVO_HITEC_HSR8498，代表使用的馬達是HITEC HSR8498。
（3） RCSERVO_SERVO_DEFAULT，代表使用的馬達是大部分具有feedback功能的馬達。
（4） RCSERVO_SERVO_DEFAULT_NOFB，代表使用的馬達是大部分無feedback功能的馬達。
輸出：True / False。
例如：使用KONDO KRS786ICS與HITEC HSR8498兩種SERVO各接在PWM第1和第5channel，呼叫方式如下：
rcservo_SetServo(1, RCSERVO_KONDO_KRS78X)
rcservo_SetServo(5, RCSERVO_HITEC_HSR8498)
注意：型態必須設定正確，否則SERVO將不會動作。

2. rcservo_Initialize(usedchannels)
說明：初始化rcservo，並設定輸出PWM訊號的channels。
輸
入參數一：usedchannels，設定輸出PWM訊號的channel，共有RCSERVO_USENOCHANNEL、
RCSERVO_USECHANNEL0~RCSERVO_USECHANNEL23等25個參數，設定複數channel時，彼此必須以“
”相連。沒有設定到的channel則被當作是一般的GPIO。
輸出：True / False。
例如：對SERVO初始化並將第1 channel和第5 channel設定為輸出PWM訊號，其餘channel為GPIO，呼叫方式如下：
rcservo_Initialize(RCSERVO_USECHANNEL1 RCSERVO_USECHANNEL5)

3. rcservo_Close()
說明：結束RCSERVO相關功能，釋放占用的記憶體，通常在程式結束之前呼叫。
輸入參數：無。
輸出：無。

4. rcservo_EnterCaptureMode()
說明：進入擷取模式，可以開始使用rcservo_ReadPositions()函數。
輸入參數：無。
輸出：無。

5. rcservo_ReadPositions(channels, cmd, * width)
說明：讀取指定channel上的feedback值。
輸入參數一：channels，為讀取feedback訊號的channel，共有RCSERVO_USECHANNEL0~RCSERVO_USECHANNEL23等24個參數。設定複數channel時，彼此必須以“ ”相連。
輸入參數二：預設是0。
輸入參數三：* width，通常為儲存feedback值的陣列。
輸出：無。
例如：將第1、4、5、8 channel所擷取到的feedback值存在position[32]中，呼叫方式如下：
rcservo_ReadPositions(RCSERVO_USECHANNEL1
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL4
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL5
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL8, 0, position)

6. rcservo_EnterPlayMode()
明：進入執行模式，可以開始使用rcservo_MoveTo()函數。
輸入參數：無。
輸出：無。

7. rcservo_MoveTo(* width, playtime)
說明：播放馬達移動到下一個位置的單一動作。
輸入參數一：* width，通常是為馬達“下一個”要到達的角度值陣列。
輸入參數二：playtime，執行每個陣列的間隔時間，以1ms為單位。
輸出：無。
 
範例：以教導方式編輯KONDO機器人揮手動作
此範例是在Windows XP與VC2008上做開發，程式撰寫流程如下：設定RC SERVO型態→初始化→進入擷取模式→開始擷取馬達角度→進入播放模式→設定播放參數並開始播放→結束程式。
1.  #include <stdio.h>
2.  #include <conio.h>
3.  #include <roboard.h> //RoBoard可用函數的標頭檔
4.  #define SPACE 100 //擷取的動作個數，預設100
5.  struct frame {
6.  unsigned long position[32];
7.  }motion[SPACE];
8.  int main(void) {
9.  int i,n;
10.  char c;
11.  unsigned long channels=RCSERVO_USECHANNEL0 RCSERVO_USECHANNEL1
12.                        RCSERVO_USECHANNEL2;
13.  for(i=0;i<3;i ) //設定3個channel上的RC SERVO型態
14.  {
15.    rcservo_SetServo(i,RCSERVO_KONDO_KRS78X); //使用KRS788 RC SERVO
16.  }
17.  if(rcservo_Initialize(channels)==false)
18.  {
19.     printf("%s\n",roboio_GetErrMsg());//若初始化失敗，印出錯誤訊息
20.     return 1;
21.  }
22.  rcservo_EnterCaptureMode(); //進如擷取模式
23.  printf("Press any key to read servo position or press \”Esc\” to play motion\n");
24.  i=0;
25.  for(c=getch();c!=27;c=getch()) //按Esc鍵離開擷取模式
26.  {                              //或按其它鍵擷取機器人動作
27.    if(i>(SPACE-1))
28.    {
29.      printf("擷取的動作個數已超過上限!\n");
30.      break;
31.    }
32.    rcservo_ReadPositions(channels,0,motion[i].position);
33.    printf("Record NO.%d motion\n",i );
34.  }
35.  if(i>0)
36.  {
37.    rcservo_EnterPlayMode(); //進入播放模式
38.    for(n=0;n<i;n )
39.    {
40.      rcservo_MoveTo(motion[n].position, 1000L); //每個動作間隔1秒
41.    }
42.  }
43.  rcservo_Close(); //結束程式
44.  return 0;
45.}

實作結果
程式編譯完成後，在RoBoard上執行的結果如下所示，左圖中先以人手調整KONDO機器人的手臂，並按任意鍵讓程式記錄調整好的動作(依照上面程式自定的紀錄空間，共可記錄100組動作)，最後按ESC就會從第一個動作播放至最後動作，完成後就結束程式。

圖說：（由左至右）以人手調整動作並按任一鍵紀錄、按ESC開始播放動作、動作播放完畢

小結
在機器人致動器的選擇上，PWM
SERVO是一款很受歡迎的解決方案，本文以逐步介紹的方式帶讀者初步了解機器人動作的原理與生成，應該可了解到玩機器人並非想像中的複雜，讀者不妨可將
動作看做是製作動畫般，先錄製每個單一動作，再以固定速度播放，就完成機器人連續動作。依照此流程，或許讀者可試試將本文範例的PWM輸出channel
數量增加為機器人SERVO的總數，進而編輯出高難度的動作。對於使用不同作業系統的玩家，www.roboard.com上有提供跨平台的RoBoIO Lib讓大家可以免費下載，希望能讓更多玩家加入玩機器人的行列。

氣壓肌肉驅動器在兩足機器人的應用

發佈日期	2010.08.05

類　　別

技術

資料出處	聖約翰科技大學 張銘崑、施文祥、林忠緯

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ㄧ、前言
人工氣壓肌肉驅動器
（Pneumatic muscle actuator,
PMA）是一種學習生物體運動原理，將外界能量轉換而成具有類似人體肌肉特性的柔性驅動器。它主要是由彈性橡膠或塑膠，以纖維狀編織成圓柱型，如圖一所示
[1]，當管內壓力升高，它沿半徑方向膨脹，於是產生圓周方向的張力，在經纖維的力轉換作用，便成為軸向的收縮力。因此，改變橡膠管內的空氣壓力大小，便
能調節人工氣壓肌肉的收縮與伸長狀態。
 

圖一 人工氣壓肌肉驅動器

人工氣壓肌肉驅動器的優點有：1.結構簡單。2.具有柔順性。3.動作平滑，無相對摩擦運動件。4.高功率/自重比（1kW/kg3），高功率/體積比（1W/cm3），能量轉換效率高。5.可實現多自由度的運動及操作。6.操作過程中不產生熱、或其他有害物質。
第
一個發展的氣壓肌肉已超過35年，稱為McKibben artificial
muscle[1]，是屬於線性型，它是由壓縮到6bar的二氧化碳氣體所驅動。Takuma[2]等人以McKibben型驅動器發展被動式三自由度氣
壓肌肉機器人，由於採用被動式，其中一隻腳只有一個自由度，藉由行走的慣性而移動，因此動作並不靈活。Caldwell[3]等人開發氣壓肌肉驅動器的兩
足機器人，共有四個自由度，包含兩個膝關節及髖關節轉動。Gazzani[4]等人採用氣壓系統構成行走式輔助之復健機器人。
Vanderborght[5]等人製造一個高150cm、重33kg的兩足機器人，已經接近人類實際大小。Vermeulen[6]等人採用多項式簡化
兩足步行機器人隻腿部軌跡。以上為使用柔順性驅動器的兩足機器人發展現況，但是未必滿足性能需求，因此本文使用模糊滑動模式控制（Fuzzy
Sliding Mode Control,
FSMC）應用在八自由度兩足機器人作為控制器的運算，並以CCD來擷取人類步行模式，利用MATLAB軟體來模擬左右腳行走時的軌跡變化，來作為機器人
控制命令，以達到理想的行走性能。

三自由度仿生並聯桿件球關節機構與人形機器人應用

發佈日期	2010.08.05

類　　別

技術

資料出處	台灣科技大學 郭重顯．董正威

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一、前言
一般人形機器人之機構
設計大多採用串聯式機構設計。而串聯式之機構設計具有剛性不足、累計誤差、低負載能力等問題。觀察人類之關節結構，其大致可以分為1或3自由度之運動；其
中髖關節、踝關節及腕關節為3自由度之關節，腰部和頸部關節之運動在簡化後也可視為3自由度之關節。不論是1或3自由度之關節機構，驅動馬達通常安裝於兩
連結桿件之連接處，如此一來，馬達及齒輪組之尺寸將難以縮小，此一現象在3自由度之球關節特別明顯。本文介紹一種3自由度之球關節機構，以仿生學為基礎下
之3自由度並聯桿件球關節機構；其特色在於尺寸小、結構簡單、以球關節為運動模式且高剛性。此一模組包含兩個平面板、中央固定桿件、三個線性致動器；其
中，中央固定桿件直接固定於一個平面板，另一平面板採用球接頭固定，因此這個球關節模組可以表現出，類似人類3自由度關節之運動模式。由於採用電動缸之馬
達與螺桿為不可逆運動特性，當控制器不提供馬達電源時，人形機器人仍然可維持原本姿態，此特性可以延長電池之壽命。

二、仿生球關節機構設計
仿生球關節機構應用於人形機器人之結構設計，可達到高剛性、低累計誤差以及提高負載能力。踝關節是人體重要的球關節
之一；由解剖學之觀點而言[1]，人體踝關節為三個自由度之運動模式；即背屈（Dorsi Flexion）和蹠屈（Plantar
Flexion）、外翻（Eversion）、內翻（Inversion）、外展（Abduction）與內夾（Adduction）。針對上述腳踝關節
運動軌跡資料庫與運動特性，可設計出一類似於此三自由度之關節機構，並能達成空間三自由度之腳踝關節運動（包括背屈、蹠屈、外翻、內翻、外展、內夾等動
作）之目的；其示意圖如圖一所示。
類似於人類腱驅動的設計如Takuma等學者[2]於西元2008年所提出之一雙足機器人；該研究以氣壓元件做
為腱驅動動力之來源，依照解剖學每個肌肉不同的位置與功能，設計不同的仿肌肉氣壓元件，以不同步態給予每個仿肌肉氣壓元件個別的壓力，最後實現機器人直線
行走與跳耀動作，如圖二所示。
 

圖一 腳踝三個自由度示意圖[1]

加拿大Manitoba大學[3]亦研發出一氣動式機械手臂，此研究係以發展新型仿人類運動結構之機器人，其機械手臂結構；此結構為並聯式桿件設
計，並採用氣壓閥控制，能從事人類手臂可達成的姿態像揮手、拿物品等，如圖三所示。此外，Tao等學者[4]於2007年提出人工肌肉模組，此模組以並聯
機構的方式組合而成，只需利用三個氣壓元件作為致動器，就可以讓模組機構達到三個自由度，並導入氣體動力方程式演算法，達到控制機構之旋轉角度，如圖四所
示。

圖二 Takuma等學者所提出之仿肌肉氣壓元件人形機器人與步行和跳躍測試[2]

圖三 加拿大Manitoba大學所研發之並聯驅動關節機器手臂[3]

  
圖四 並聯機構與實體圖[4]

等向性平移並聯式機器人之機構特性與精密定位控制

發佈日期	2010.08.05

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技術

資料出處	台灣大學 蔡智鴻．顏炳郎

簡介
串聯式連桿機構其幾何構
型為開迴路結構，以串聯方式將線性軸與旋轉軸互相結合。由於懸臂過長，結構負荷流線長，常常造成剛性不足、結構受彎矩負荷及熱不對稱等問題，以致系統可控
制的動態頻寬受到限制，高速移動時容易產生大幅振動，不易控制導致常造成定位時間的延遲，不利於高速化；其解決之道常以加大或加粗其結構來解決，續而延生
出須以大馬力之驅動源來推動進給機構，除了材料的大量浪費外，並造成電力的浪費。
並聯式機構為閉迴路機構，其結構為一二力構件，負荷流線短，負荷
是由連桿機構以拉伸或壓縮的方式承受，所以具有高剛性、低慣量的特性，而且構成材料少，控制頻寬大，其作動端點並不會造成累積性誤差，有較高之準確性及定
位性。並聯式機構又可依照其機構運動特性，分為傳統史都華平台（Stewart platform）型式，以及等向性並聯式機構。
傳統的史都華並
聯機器（如圖一）雖具有高負荷率比，高強度，高準確度，以及高速運動特性；但交叉耦合的運動學特性，增加其運動特性分析與控制的複雜度。為了克服這些缺
點，近年來所發展的平移並聯機器人（Translational Parallel
Mechanism），因為它們簡單的運動學和非耦合的特性，愈來愈受到關注。典型的平移並聯機器人例子，如3 RRPaR Delta、3 PRPaR
Orthoglide、3 RHPaR Y-star、3PRRR CPM（Cartesian Parallel
Mechanism），上述之簡寫代號分別為：旋轉revolute（R）、菱柱prismatic（P）、螺旋helical（H）、平行四邊形轉向機
構parallelogram
loop（Pa），這些平移並聯機器人都可實現在工作空間中的等向性功能，因為這些等向性並聯機器人，其雅可比矩陣（Jacobian
Matrix）為一單位矩陣，輸入與輸出速度將完全相同。以下詳細介紹上述幾種平移並聯機器人的代表機構：
 

圖一 六軸高速史都華平台
圖片來源：http://www.physikinstrumente.com/en/news/fullnews.php?newsid=155

（1）Delta
屈膝型機構是由固定板、移動平台、六組二連桿所組成，控制連桿角度變化達到移動平台的作動，仍擁有六個自由度。目前用於加
工機、快速組裝等，此機構可輕易達到100m/min的高速移動，在市面上的產品，比如Hitachi Seiki所製造之Delta
robots機器人（如圖二），ABB公司所製造之FlexPicker（如圖三），ABB公司所製造，應用於Pizza生產鏈上之Delta
robots IRB
340（如圖四），其特點在於運動速度快，平均每分鐘可以移動60個Pizza，且由於是平行移動，所以Pizza上的Cheese幾乎不會掉落於輸送帶
上。
 

圖二 Hitachi Seiki所製造之Delta robots（Bonev, 2001）

圖三 ABB 所製造之IRB 340 FlexPicker
圖片來源：http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=1612337&show=html

 
圖四 ABB機器人應用Pizza生產作業
圖片來源：http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=1612337&show=html

（2）CPM（Cartesian Parallel Mechanism）
CPM機構擁有三自由度，是由三組線性模組、三組連桿、移動平
台所構成，其組合方式是連接移動平台的三組連桿，皆保持與所對應之線性模組移動方向平行，並透過線性模組上的滑塊位置，來控制移動平台的位置。運用於加工
機，其作動像一般的傳統X、Y、Z平台驅動軸與移動工具解耦，所開發的CMP雛型機如圖五、圖六所示。
 

圖五 CPM之雛型機
圖片來源：http://www.engr.ucr.edu/~lwtsai/laboratory.htm

   
圖六 CPM側視圖（左圖）及正視圖（右圖）
圖片來源：http://www.engr.ucr.edu/~lwtsai/laboratory.htm

（3）Orthoglide
此型機構與CPM極為相似是由三組線性模組、三組連桿、移動平台所構成，各連桿上接頭軸心皆平行線性模組移動方
向，利用線性模組上滑塊位置變化控制移動平台位置擁有三自由度。其同擁有驅動軸與移動工具解耦特性，典型的例子如圖七所示，為法國IRCCyN公司生產的
Orthoglide機器人。
 

圖七 Orthoglide（法國IRCCyN）
圖片來源：http://www.irccyn.ec-nantes.fr/

要了解等向性平移並聯機器人的特性，可透過CPM並聯機構為例來說明，卡氏並聯機構主要由三組PRRR（P平移-R旋轉-R旋轉-R旋轉）型式之連
桿所組成，組裝方式是保持各連桿上的旋轉接頭上之軸心，皆與該線性致動器移動方向平行，並將各線性致動器安置於基座上，再由連桿保持與致動器移動方向正交
方式與移動平台連結，此機構擁有三自由度，作動方式類似傳統X、Y、Z平台。
如圖八（a）所示，致動器安置於基座上並保持線性的方式驅動，當X支
臂上之線性致動器驅動一位移時，其Y、Z支臂致動器位置保持固定不變，但其支臂上之旋轉軸角度會隨X支臂線性致動器位移改變而產生從動變化，此時移動平台
產生與X致動器產生相同的位移量，Y、Z致動器作動亦是如此，故CPM作動屬於解耦行為類似傳統XYZ平台，實體平台如圖八（b）所示。
 

圖八 （a）CPM作動示意圖、（b）XYZ Table（賴, 2006）

由於CPM為三組PRRR支臂組成，故求其運動學時將視為開迴路（Open-loop）之三連桿臂結構，其運動學關係為：當只移動一線性致動器其對
應之動桿各旋轉軸角度不變，而其餘兩支臂致動器不動但其動桿上之各角度會隨驅動源從動變化，故平台的運動將隨三個主動滑塊的運動一致的運動。因此
Jacobian矩陣為一個3 x 3的單位矩陣，也就是說：移動平台在工作空間內之任何位置輸出（Output）皆相同，具有等向性。
動力分析與控制
儘管CPM擁有運動學解耦的特性，但是動力學卻是個軸相互耦合，若有使CPM擁有優異的動態特性，各軸的耦合力需要納入控制器設計的考量，甚至在進行機械設計時，即必須考慮優化各支臂的質量，以獲得更好的動態性能。
但
仍有其限制，主要限制來自於對機構有過分約束條件。某些幾何約束的限制是必需的。例如，一個3
PRRR笛卡爾並聯機構（CPM）的過度約束條件是，所有支臂必須平行於相應的框架或移動軸。如果一個線性驅動器是不平行的，相應坐標軸的傾斜，會導致線
性驅動器和坐標軸有不斷變化的移動阻力，因而產生了高變動的磨擦力，摩擦力因不同位置而改變，也導致機器定位精度的能力。
為了抵消CPM中因過
度約束所產生的高度變動的摩擦力，可使用雙迴圈（內部和外部迴圈）控制器（如圖九）來達成。內部迴路控制器為一種干擾估測器，來消除系統的不確定性，該系
統的不確定性，特別是變動的摩擦效應，可以大大減少，然後在利用外部迴路控制器，提供系統足夠的強健性，提供高精度的定位控制。
 

圖九 以雙迴圈控制器架構可達到精密定位的要求

結論
具等向性之平移並聯機器人，以機構的特殊設計，可達到其他機構無法達到優異的機械特性，但是在實現此優異性能的同時，若沒有考慮來自過
度約束機構所造成之高度變動摩擦力的影響，精密定位控制會大受影響。雙迴圈控制器配合干擾估測器以及強健控制器，是一個有效的方法，可有效地抵消高度變動
摩擦力，達到高精密定位的目標。

參考資料
[1] Bonev,l.,”Delta Parallel Robot — the Story of Success,” Parallel MIC-the Parallel Mechanisms Infarmation Center ,May 6, 2001
[2]賴志仲，全膝關節置換手術輔助機器人之研究，國立台北科技大學，自動化科技研究所，碩士學位論文，2006
[3] PI官方網頁 http://www.physikinstrumente.com
[4] Robotics and Machine Design Laboratory  http://www.engr.ucr.edu
[5] Emerald官方網頁  http://www.emeraldinsight.com
[6] IRCCyN官方網頁 http://www.irccyn.ec-nantes.fr

 
最近在中央美術學院畢業展覽上，一件由中國老解放汽車改造而成，以中國關公形象為藍本的藝術作品備受矚目。名為《解．放》的藝術品形似荷里活電影的變形金剛，因此有“關公版變形金剛”之稱，高9.7米，重約4噸，耗資近30萬元，在展覽上甚受矚目。(引用來源)
好一個題目"解放"，這暗示著學生渴望正義之神關公可以再度解放中國??不過不用擔心拉~中國正在解放中~只是一權獨大罷了!哈~

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robot (robot)

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(連結：www.berobot.com_科技教育_可程式化,_可擴充電路_可變形機構_機器人研究開發平台)

2010/06/02 18:52｜發表迴響

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2010/06/02 18:52｜發表迴響

版主/其實真ㄉ很不想貼這消息，1.這不是新聞 2.這不是機器人 3.聽說花ㄌ幾億來搞這吸塵器(請問是某科專計劃??不過上回幾億做了幾個模型機器人，這回有東西賣到是認真多ㄌ!!)同時阿，這也是告知所有台灣還在做機器人的公司，大企業這動作告知我們:1.這是一條可賺錢的路(既得利益) 2.吸塵器準備下殺ㄉ很慘 3.要買ㄉ人先等等，改天就跟電腦一樣ㄌ!!)