具拘束度不規則形狀的複連桿系統運動分析

Abstract

摘要 不規則外形桿件在機械應用方面相當廣泛，諸如運送物料，傳輸動力等，例如機械手 臂，活塞連桿，而一般捲門亦可視為多連桿系統，這些外形構建複雜的桿件均有其特 定的運動拘束條件，如機械手臂處在多重障礙物的工作環境，其運動的軌跡必須避開 所有的障礙物，因此其工作空間有一相對障礙物的運動拘束條件。捲門的運動則是拘 束於旋繞一中心軸作旋轉。 本文主要探討機械手臂，具有複雜外形，在任意堆置障礙物的工作空間中，找尋能直 接規劃其運動路徑的方法。由於在工作空間的座標系中，給定起始點與目標點直接規 劃路徑將得到多重解，且須在碰撞分析中逐步過濾，故改採以機械手臂驅動關節座標 系，描繪修正障礙物的輪廓，可取得機械手端與路徑一對一的對映關係。 本文發展一套路徑搜尋法則，用以在架構空間中能夠避開障礙物所行成的禁行區域， 這些法則規範了路徑前進方向的判斷準則，首先是找出所在位置八個相鄰點的參考方 向，然後依照目標點為導向的優先選擇順序，依次做碰撞分析，若八個方向中有一點 沒碰到禁行區域邊界，則此點為下一起始點。此外對於繞行曲折禁行邊界，亦發展一 個法則，用以鎖定前進方向，以順利通過障礙物的阻隔。 所搜尋到的路徑若中途有碰到禁行區域邊界，則路徑會形成曲折的現象，本文採用將 路徑以固定行進點數細分為小路徑，再測試這些小路徑以直線路徑取代的可行性，若 直線小路徑沒有碰到任何禁行區域，則取代原小路徑。經過遞迴執行後，可以得到路 徑直線化而簡短的效果。最後修改的結果可立即在電腦螢幕上模擬，以求驗證。 為適應工場環境的多變性，不規則桿件在受拘束的條件下之運動分析十分重要，尤其 今日機械手臂等之普遍運用，更凸顯其重要性。為了能快速反應工場佈置或流程之變 遷，且不再過份倚賴人力，如何將其運動路徑予以自動化，乃走向工業自動化過程中 的一個重要課題。相信本文經由電腦輔助規劃與模擬之模式，對於未來機械手等不規 則桿件之應用與工業自動領域能提供一些助益。