臺灣博碩士論文加值系統

六軸機械手臂在產業界不論是應用於工業發展或是科技製造業都受到各家業者的重視，因應近年自動化生產線的蓬勃發展，機械手臂為符合各種加工情況下，除了能做普遍的搬運，視加工情況也衍生出各類型機械手臂，甚至亦能有效的執行複雜曲面加工。
一般機械手臂程式皆於現場透過手持式校導盒記錄欲到達的點位來讓機械手臂做動，對於商用軟體能將場域模組載入模擬，此特點可減少現場操作機械手臂時發生碰撞之危險。由於商用軟體建立機械手臂及場域模組時，其運動學與尤拉角模組都為單一機械手臂做開發設計，故因機械手臂及場域模組均依使用者需求開發，相對價格也較為昂貴。若添購新款機械手臂，該運動學與尤拉角模組與原有可能有所不同，屆時需額外開發新模組，因此為了降低開發模組成本，本研究進而開發各種六軸機械手臂正逆向轉換介面與各種六軸機械手臂路徑編程虛擬運動模擬介面。
本論文主要以LEANTEC LJ1468-10-X六軸關節型機械手臂為研究對象，應用Denavit-Hartenberg座標轉換法建立機械手臂運動數學模型，推導出正向與逆向運動學方程式，並運用Visual Studio 2010 C#撰寫程式轉換介面，將LEANTEC LJ1468-10-X六軸關節型機械手臂的正向與逆向運動學作為樣板，進而一步推導出各種六軸機械手臂正向與逆向運動學，再將此運動學結合至Open CASCADE圖形顯示虛擬機械手臂運動模擬介面，同時載入加工環境設備圖檔進行離線編程與模擬，亦可透過CAM生成之刀具路徑檔加以規劃加工路徑，經模擬後皆可匯出成各家廠牌之型號機械手臂可讀取的程式檔，並將此程式檔傳輸至實體機械手臂讓其做動。
最後本文透過商用機械手臂模擬軟體為SprutCAM、ROBOGUIDE以及SYNTEC、HIWIN各別開發之機械手臂模擬器進行驗證比對，確認本文所撰寫的程式轉換介面之正確性。

The six-axis robotic arm is valued by various manufacturers in the industry. In response to the vigorous development of automated production lines in recent years, it can meet the various processing conditions to perform general handling. Moreover, various types of robot arms are derived depending on the machining situation, and can even effectively perform complex surface machining.
Generally, the robotic arm program records the point to be reached through the handheld calibration box at the scene to teach the robotic arm manually. The field module developed by the commerical software can be loaded into the simulation. This feature can reduce collisions when operating the robotic arm on site. While the commercial software developes the dedicated module, the kinematics and Euler’s angle modules are developed and designed for the specific robotic arm. Since the modules are developed according to user needs, the price is relatively expensive. While we purchase a new robotic arm, the developed module may be different from the original configuration. It leads to the additional cost for developing module repeatedly. This study further developed the interface of kinematics conversion and virtual path programming and simulation for various six-axis robotic arms.
This thesis takes LEANTEC LJ1468-10-X six-axis articulated robotic arm as the research object. The mathematical model of the robotic arm motion, as well as forward and inverse kinematics equations are derived using Denavit-Hartenberg coordinate transformation method. The programming language Visual Studio 2010 C# is used to develop the conversion interface. The LEANTEC LJ1468-10-X robotic arm is utilized as a template to derive the kinematics of various six-axis robotic arms and then integrated into the Open CASCADE environment to display robotic arm motion virtually. The developed interface can load the drawing file of the processing environment equipment for offline programming and simulation, and also can plan the processing path through the tool path file generated by CAM software. A program file suitable for various types of robotic arms is exported to activate the physical robotic arm.
Finally, this research verifies and compares the robotic arm simulation software such as SprutCAM, ROBOGUIDE, SYNTEC, and HIWIN. The correctness of the proposed scheme is confirmed.

摘要...i
Abstract...iii
誌謝...v
目錄...vi
表目錄...ix
圖目錄...xi
符號說明...xvi
名詞中英文對照表...xvii
第一章 緒論...1
1.1 研究動機與目的...1
1.2 文獻回顧...2
1.2.1 機械手臂運動學...2
1.2.2 機械手臂路徑規劃...5
1.3 研究流程...9
1.4 論文架構...12
第二章 相關技術...13
2.1 基本座標轉換矩陣...13
2.2 六軸關節型機械手臂D-H座標轉換法...16
2.3 尤拉角轉換矩陣...19
2.4 刀具切削路徑點向量推導...21
2.4.1 傾斜平面加工以切線推導...21
2.4.2 曲面加工以接觸點推導...22
2.5 法蘭座標系至刀尖點座標系轉換矩陣推導...24
2.6 機械手臂各座標系架構...27
2.7 相關軟體介紹...28
2.7.1 Visual Studio 2010 C#...28
2.7.2 Wolfram Mathematica...29
2.7.3 SprutCAM...29
2.7.4 ROBOGUIDE...30
2.7.5 Unigraphics NX...31
2.8 Open CASCADE Technology介紹...32
2.8.1 Open CASCADE Technology函式庫介紹...32
2.8.2 Open CASCADE常用類別...33
第三章 機械手臂相關理論...34
3.1 LEANTEC LJ1468-10-X六軸關節型機械手臂基本介紹...34
3.2 D-H座標轉換法...36
3.3 正向運動學...37
3.4 逆向運動學...39
3.5 Z-Y-X正向尤拉角轉換...45
3.6 Z-Y-X逆向尤拉角轉換...47
第四章 程式介面介紹與驗證...49
4.1 各種六軸關節型機械手臂後處理介面...49
4.2 各種六軸機械手臂正逆向運動學轉換介面...50
4.2.1 正向運動學轉換驗證...53
4.2.2 逆向運動學轉換驗證...63
4.3 正逆向尤拉角轉換驗證...75
4.3.1 正向尤拉角轉換...76
4.3.2 逆向尤拉角轉換...77
4.4 刀具路徑轉換介面...78
4.4.1 斜平面路徑驗證...79
4.4.2 曲面路徑驗證...84
4.4.3 比較刀具路徑檔之控制器格式轉換...86
4.5 六軸機械手臂離線編程介面...90
4.5.1 機械手臂路徑規劃...93
4.5.2 離線編程與模擬器驗證...95
第五章 結果與討論...98
5.1 刀具路徑轉換應用不同切削形式...98
5.1.1 物件工法編製...98
5.1.2 路徑與控制器格式轉換...103
5.1.3 ROBOGUIDE模擬...110
5.2 離線編程應用於整體單元...111
5.2.1 圖檔載入...111
5.2.2 D-H參數修改...112
5.2.3 路徑規劃...113
5.2.4 控制器格式轉換...114
5.2.5 實際機台執行結果...116
第六章 結論與未來展望...120
6.1 結論...120
6.2 未來展望...122
參考文獻...123
附錄一...126
Extended Abstract...128

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[25] Unigraphics NX，https://www.plm.automation.siemens.com/global/zh/products/nx/ (2020.07.10)
[26] Visual Studio 2010 C#，https://visualstudio.microsoft.com/zh-hant/vs/ (2020.07.10)
[27] Open CASCADE類別庫，https://www.opencascade.com/doc/occt-7.1.0/refman/html/files.html (2020.07.10)
[28] 新代科技機械手臂控制器，https://www.syntecclub.com/series.aspx?CategoryID=RoboticArmController&SubCategoryID=ArticulatedArmSolution&SeriesID=F4_0 (2020.07.10)
[29] 聯達智能LJ1468-10-X六軸關節式機械手臂，https://www.leantec.com.tw/series.aspx?CategoryID=ModuleProduct&SubCategoryID=RoboticArm&SeriesID=B1_3 (2020.07.10)
[30] 上銀科技RA620-1621六軸關節式機械手臂，https://www.hiwin.tw/products/mar/articulated/ra620/ra620_1621.aspx (2020.07.10)
[31] KUKA KR150-2六軸關節式機械手臂，https://www.eurobots.net/kuka-robots-kr150-2-p190-en.html (2020.07.10)
[32] STAUBLI TX200六軸關節式機械手臂，https://www.staubli.com/en-us/robotics/product-range/industrial-robots/6-axis-robots/tx200/ (2020.07.10)
[33] WACOH-TECH壓力感測器，https://wacoh-tech.com/en/ (2020.07.10)
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