運送矽晶片機械手臂的最短時間路徑控制

Abstract

在許多的高性能機械手臂系統，傳動系統、馬達電力子系統、機械手臂結 構所產生的撓性均會造成機械手臂運動時產生破壞性的振動。由於在真空 環境中運送矽晶片用的機械臂只能托著矽晶片而不可夾著矽晶片，故只能 靠矽晶片與機械臂托盤間的摩擦力來維持矽晶片在托盤上的位置，因此機 械臂的路徑加速度及控制頻寬必須受到極嚴格的限制。在本篇論文中，我 們首先設計並配製一個由六連桿組組成、運送矽晶片用的機械臂，並使用 此機械臂示範以「極速路徑」(time-opti- mal trajectory)運動時由關 節撓性所引發的一些問題。由於傳統的最 短時間路徑」(minimum time path)產生方法只適用於二階系統模型，無法用在考慮關節撓性的高階系 統模型；若以假設撓性不存在的二次系統模型來產生「最短時間路徑」， 則機械臂運動時可能會產生振動，並使矽晶片產生位移。為了解決以上的 問題，我們利用非線性控制中的「奇點干擾法」( singular perturbation method)先將具撓性考慮的高次系統模型簡化成零階及貳階 模型，接著用這兩個簡化模型來產生「最短時間路徑」，以此路徑作追蹤 模擬及比較其差別。此外，我們並將指令路徑以splines曲線、面積法、 正弦曲線、複立葉級數（fourier series）法，以及低通濾波（lowpass filter）法等幾種方法加以平滑化處理，來降低路徑頻寬，以減少撓性關 節所受到的刺激與振動。由電腦模擬與實驗結果可證明上述方法的確能降 低機械臂的振動。