機械手臂應用於智慧組裝之研究 - NCHU · Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): 101-112 (2017) 機械手臂應用於智慧組裝之研究. 林稚樺、許程翔、陳澤民

Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): 101-112 (2017)

機械手臂應用於智慧組裝之研究

林稚樺、許程翔、陳澤民 *

摘要在機器人發展的過程中，隨著科技的進步與感測器的發展，機器人已從過去可以輸入特定的路徑並依程式完成

焊接、噴漆、加工、搬運物品等傳統的 3D 工作框架，逐漸朝向完全取代勞力，具備智能化的方向發展。其中智慧組

裝即是不可或缺的進展環節，精密組裝中首重定位精度與裝配公差，現行的自動檢測方法為大量運用攝影機搭配影像

處理技術，然此技術受限於處理過程繁複，易受環境光照的影響，成本昂貴，作業區環境精要求高，普及效益低。本

研究則利用 LabVIEW 程式整合二維雷射測距儀與機器人系統，並搭配三維空間孔洞與自動裝配目標特徵的搜尋能力，

不僅相對穩定性佳、不受光照環境影響且資料容易處理，可有效完成智慧組裝的任務目標。

關鍵詞：智慧組裝、智慧搜尋、機器臂

A Study on Intelligent Assembly by Robot Arm

Chin-Hua Lin, Cheng Xiang Xu and Tse-Min Chen*

ABSTRACT In the process of robots development, the robot could be imputed by specific path and followed

the program to achieve a particular purpose; therefore, it was widely used to weld, spray, process, and transport

object. With the great advancement of technology and the development of sensors, the working role of robot

is gradually change from assistance into completely replacement of labor. Intelligent assembly is the

indispensable part of this revolutionary change. When assembling, it takes precision very seriously. The old

method of assembly, which used camera with image processing technology, not only limited by complicated

processing course, but also easily affected by environmental lighting, and the cost is quite expensive as well.

This research use laser rangefinder as sensor of robot. The advantage of laser rangefinder is it has relatively

stable characteristic under environmental lighting and the data it collects is easy to process. We combine laser

rangefinder with object’s traits to finish the work of intelligent assembly. Besides, this research utilizes

LabVIEW to integrate sensor and the robot control system, and uses robot movement to collocate 2D laser

rangefinder to accomplish the purpose of searching 3D holes and automatic assembling.

KeyWords：Intelligent assembly, Intelligent searching, Robot arm

國立中興大學生物產業機電工程學系。Dept. of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing

University, Taichung 40227 Taiwan, R.O.C * Corresponding author, e-mail: [email protected]

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林稚樺、許程翔、陳澤民：機械手臂應用於智慧組裝之研究

一、前言

機器人是一種仿生物運動的自動化設備，在科技發

展快速的今日，機器人已被應用在各個領域。一般的機器

人皆由驅動系統、機械系統、感知系統、控制系統、人機

互動系統與環境互動系統等 6 大系統組成。

機器人中最常參與生產所應用的種類為機械手臂(Robot

Arm)，機械手臂顧名思義即為模仿人類手臂運動的設備，

以馬達的旋轉取代人類的關節，可以隨著不同的應用領

域需求，設計不同數量的關節以滿足不同運動自由度的

需求。基本的機械手臂至少擁有 3 個自由度，包含前後

伸縮、左右旋轉和上下的升降。機械手臂發展初期的第一

代機器人可以簡單地完成輸入特定路徑並依照指示運動

，工業上被廣泛的應用在焊接、噴漆、加工、搬運物品，

取代許多傳統的勞力成本，同時改善產品的生產效率及

品質[1]。

機器人發展至今已邁向高智能型的機器人，所謂高

智能的機器人即是搭載多樣的感測器擷取環境資訊，再

依據程式執行較複雜的邏輯判斷偵測環境資訊進而達成

自主的功能[2][6]。農業上也開發出能夠自動選別及採果

的機器人[3]。在醫學領域甚至已發展出搭配影像系統輔

助醫師完成開刀手術的機械手臂如達文西機器人手術系

統等，大大減少因為醫師在疲勞或緊張狀態下手術失誤

的風險，除此之外具備有減小傷口、降低失血量、降低感

染風險等性能優勢，導致現今各國皆如火如荼地投入高

智能型機器人的研發[4]。

在機器人完全取代傳統勞力為趨勢的現今，智慧組

裝已成為產業機器人必備的能力，由於組裝過程中對於

位置確認的精度有極高的標準，些微的誤差就會讓組件

間產生相當大的接觸內力，導致工件瑕疵或任務失敗[7]。

因此透過感測器自主搜尋正確組裝位置，使機械手臂之

末端作動器(end effector)精確到達目的座標，順利完成

組裝是為本研究之目標。未來更期待本技術能成為智慧

農業及環境綠化自動造景的利器[8]。

二、實驗設備、材料與方法

(一) 實驗設備

1. 機械手臂：

本研究採用日本 MITSUBISHI 公司所生產之 Industrial

Robot RV-1A 型機械手臂(圖 1 及 2)，該臂使用全軸 AC

伺服馬達，擁有手動操作教導器(teaching pendant) (圖

3)及連結 PC 程式控制等操作方法，其運動範圍及速度如

表 1。

圖 1 三菱 RV-1A 型機器手臂

Fig. 1 MITSUBISHI RV-1A robot

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圖 2 機械手臂控制器

Fig. 2 Robot controller

圖 3 機械手臂教導器

Fig. 3 Robot teaching pendant

表 1 RV-1 機器手臂各軸之運動範圍及最大角速度

Table 1 constraints and maximum angular speeds of the axes of the RV-1 robot

軸號運動範圍(度，deg) 最大角速度(度/秒，deg/s)

J1 -150 to +150 180

J2 -60 to +120 90

J3 +60 to +155 135

J4 -160 to +160 180

J5 -90 to +90 180

J6 -200 to +200 210

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2. 雷射測距儀：

本實驗所採用 URG-04LX 雷射測距儀(圖 4)，量測距離為

0.02~4m，量測角度為 240゜，量測有效範圍如圖 5，掃

描時間為 100ms/scan，角解析度為 0.3515325゜。

3. USB to RS-232 傳輸線：

使用英國 FTDI 晶片的 UTN411 USB to RS-232 訊號轉

換器，用於個人電腦與械械手臂 RV-1A 控制器之訊號傳

輸。

4. 游標卡尺：

使用精度 0.05mm 之游標卡尺用於量測實驗材料之直

徑。

5. 個人電腦：

Acer Aspire V3-772G 筆記型電腦，搭載 Intel i7-

4702MQ ，運算速度 2.2GHz with turbo boost up to

3.2GHz，執行 LabVIEW軟體整合雷射測距儀URG-04LX

及機械手臂 RV-1A 控制器。

(二) 實驗材料

1. 結構桿：

孔中心軸距為 19mm，用以架設裝配本體。

2. 配接軸：

用以驗證配接目標位置及軸徑大小之工件軸(圖 6)。直徑

基本尺寸為 40.5mm(樣本一)及 35mm(樣本二)，設定公

差 -0.5mm，直徑實際尺寸 40.45mm(樣本一 )及

34.65mm(樣本二)，導角 45° 1mm。

3. 裝配本體：

為待量測並配接之工件母座(圖 7)，利用雷射測距儀掃描

並計算其直徑及圓心座標，直徑之基本尺寸為

40.5mm(上)及 35mm(下)，設定公差+0.5mm，實際尺

寸為 40.85mm(上)及 35.1mm(下)，導角 45° 1mm(上)

及導角 45° 0.7mm(下)，深度 100mm。對應於上述之裝

配軸。

圖 4. URG-04LX 2D 雷射測距儀 laser rangefinder

Fig. 4 URG-04LX 2D laser rangefinder

圖 5 URG-04LX 量測範圍示意圖

Fig. 5 Workspace of URG-04LX

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圖 6 配接軸樣本：樣本一(左)及樣本二(右)

Fig. 6 Assembly axes： Sample 1(left) and Sample 2(right)

圖 7 裝配本體

Fig. 7 Assembly body

(三) 實驗方法

本實驗之硬體架構如圖 8，雷射測距儀架設於機械

手臂夾爪上端平台，於手臂原點 X 方向處 51mm 架設裝

配本體，機械手臂沿 Z 方向移動的同時利用雷射測距儀

掃描 XY平面，建立裝配本體輪廓，比較後搜尋圓心座標，

並計算孔洞直徑，做為智慧選配之依據。

(四) 實驗步驟

首先設置完機械手臂之掃描路徑後，在每個 Z 座標

利用雷射測距儀掃描 XY 平面，經 USB 傳輸線將雷射測

距儀所回傳的資料傳回電腦進行分析處理，辨識比較圓

弦之中點及弦長，完成掃描路徑後最大弦長即為直徑，而

直徑中點座標是為圓心座標即為目標中心位置，最後利

用機械手臂執行規劃路徑完成裝配。其成效以不同之掃

描解析度與單點掃描數為參數，進行五種不同組合配置

之裝配實驗並進行比較分析。

(五) 系統參數設定

1. 雷射測距儀設定：

雷射測距儀所使用通訊協定為 SCIP VER2.0，此協定中定

義 7 種指令，分別是取得訊號指令、開關指令、RS-232

鮑率更改、測距指令、馬達轉速、掃描時間間隔以及重啟

指令。在程式中須設定 Scan Interval、Cluster Count、

Start point、End point、Number of Scans 等。本研究

將掃瞄範圍設定於±15 度之間(圖 9、圖 10)。

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圖 8 實驗硬體架構

Fig. 8 Experimental bench of the intelligent assembly

圖 9 LabVIEW HKYURG URG-04LX 參數設置說明

Fig. 9 Parameters setting of the LabVIEW HKYURG URG-04LX

圖 10 LabVIEW HKYURG URG-04LX 參數控制面板

Fig. 10 Control panel of the LabVIEW HKYURG URG-04LX

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2. 機械手臂通訊設定：

本研究採用日本 MITSUBISHI RV-1A 機械手臂，控制方

式分為教導器控制及個人電腦透過 RS-232 傳送指令控

制。電腦所撰寫的指令亦透過 RS-232 以 ASCII 字串的

型態進行傳送通訊。在 RS-232 通訊上必須要有相同的

鮑率、停止字元、資料長度、同位檢查位元才能順利地

接收傳遞訊號。圖 11 為其程式設置碼，至於 RS-232

通訊協定則如表 2 所示。

圖 11 LabVIEW 機械手臂 RS-232 通訊設置

Fig. 11 The RS-232 device in LabVIEW for Robot arm

表 2 RS-232 通訊協定

Table 2 Protocol of the RS=232

Baud rate 9600

Date bits 8 bit

Parity even

Stop bits 2 bit

Termination char 0D

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3. 實驗流程參數設定

本實驗所採用雷射測距儀屬於二維型，僅能掃描 XY平面，

因此在掃描三維空間時透過機械手臂在 Z 方向移動同時

掃描 XY 平面，以完整掃描裝配本體。在執行實驗前所需

設定之參數分別為機械手臂起點 X Y 座標、掃描起點高

度 Z 座標、掃描距離、掃描解析度(採樣距離)、單點採樣

數(每個點採樣的次數)。本研究之雷射測距儀量測誤差在

±2mm，因此在接近直徑高度，圓弦變化率非常小，如圖

12 所示斜線區域()；因此容易在此區間產生誤差，造成圓

心 Z 座標的搜尋失敗，為此須透過提高單點的採樣數後

平均以改善誤差，提升精準度，增加裝配成功率。

4. 雷射測距儀資料處理

由於本實驗所使用雷射測距儀URG-04LX是將360°分割

成 1024 個位置進行儲存，回傳的數值為距離 r、角度，

為配合機械手臂所使用之直角坐標系，需透過公式(1)及

公式(2)轉換。LabVIEW kit 如圖 13。

x = r × sin (1)

y = r × cos (2)

圖 12 圓弦變化示意圖

Fig. 12 Schematic diagram of the dependence between the diameter and arc.

圖 13 LabVIEW 圓座標轉換直角座標公式

Figure 13 LabVIEW code for the transformation of the polar coordinate to Cartesian coordinate.

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三、結果與討論

(一) 理想狀態下成功裝配條件

由

容許誤差= (裝配本體直徑-裝配軸直徑)/2+導角長 (3)

裝配本體圓心 Z 座標和 Y 座標加上容許誤差後即得出理

想裝配成功條件(圖 14)。

實驗樣本一裝配本體直徑為 40.85mm，裝配軸直徑

40.45mm，架設本體後樣本一 Z 座標為 540mm Y 座標

為 46.1mm，因此透過上述公式即可得出：

容許誤差= (40.85-40.45)/2+1=1.2mm

圓心 Z 座標上限=540+1.2=541.2mm

圓心 Z 座標下限=540-1.2=538.8mm

圓心 Y 座標上限=46.1+1.2=47.3mm

圓心 Y 座標下限=46.1-1.2=45.4mm

實驗樣本一 Z 座標成功裝配條件範圍為

538.8mm~541.2mm，Y 座標成功裝配條件範圍為

47.3mm~45.4mm。

(二) 樣本一裝配測試與結果

1. 樣本一裝配條件：

(1) 裝配本體之圓心座標：X：920mm、Y：46.1mm、

Z：540mm

(2) 裝配本體之開口直徑：42.2mm(含導角)

(3) 圓心 Z 座標成功裝配條件範圍：

538.8mm~541.2mm

(4) 圓心 Y 座標成功裝配條件範圍：

45.4mm~47.3mm

(5) 實驗起點 Y 座標 37mm 換算圓心 Y 偏差量範圍：

8.4mm~10.3mm

2. 測試結果與分析：

由測試結果(表 3)得知五組實驗之圓心座標平均值非常接

近，由此得知此樣本一實驗的結果準確度相當高。圓心 Y

偏差量的準確誤差結果範圍在 9.149mm~9.385mm，圓

心 Z 座標的準確誤差結果範圍在

539.72mm~540.38mm，當提升單點採樣數能有效降低

實驗量測之標準差，提升實驗量測精度，並將成功率可由

56.6%提升至 86.6%；尤其在單點採樣數由 1 提升至 10

之結果尤為顯著，圓心 Y 偏差量之標準差由 0.331 降至

0.097，進步幅度約3.41倍，圓心Z座標之標準差由1.827

降至 1.066，進步幅度約 1.71 倍，其餘的實驗精度的提

升皆不如實驗一與實驗二的改變幅度顯著。另外由實驗

結果亦可發現圓心 Y 偏差量精度遠高於圓心 Z 座標，原

因是 Y 偏差量之計算取之於弦兩邊界點之中點，其結果

不受弦長變化量之影響，因此圓心 Y 偏差幾可 100%位

於容許範圍內。

(三) 樣本二裝配測試與結果

1. 樣本二裝配條件：

(1) 裝配本體之圓心座標：

X：920mm、Y：45mm、Z：477.7mm

(2) 裝配本體之開口直徑 36.5mm(含導角)

(3) 圓心 Z 座標成功裝配條件範圍落在

476.775mm~478.625mm

(4) 圓心 Y 座標成功裝配條件範圍落在

44.075mm~45.925mm

(5) 實驗起點 Y 座標 37mm 換算 Y 偏差範圍落於

7.075mm~8.925mm

圖 14 樣本一裝配容許誤差示意圖

Fig. 14 Tolerance error of assembly of Sample 1

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2. 測試結果與分析：

表 4 為樣本二之實驗結果。由樣本二之配實驗中可發現

單點單掃描之結果誤差範圍極大，圓心 Z 座標準確誤差

3.45mm 遠大於容許誤差，而圓心 Y 偏差部分準確誤差

約為 0.9，亦略大於容許誤差，成功率僅 23.3%。在實驗

二中將單點掃描次數(即單點採樣數)提升至 10，結果即

可大幅度改善，裝配成功率由原 23.3%提升至 90%，進

步 66.7%，唯採用單點重複掃描平均法雖可大幅改善實

驗成功率，然亦須付出掃描過程高耗時的代價，本試驗結

果顯示單點採樣數由 10 提升至 30 次時，單次實驗時間

將會由 10 分鐘提高至 15 分鐘。從實驗二到實驗三成功

率更從 90%進步到了 100%，實驗三圓心 Z 座標數據結

果範圍在 477.5mm~478mm 之間，實驗四與實驗五的

結果也與實驗二、實驗三相互呼應，後四次實驗圓心 Z 座

標之準確誤差皆在 0.7mm 以下，在圓心 Y 偏差部分後三

次實驗成功率皆達到 100%，第二次實驗亦有 96.6%的

優異結果，綜合結果顯示本系統在樣本二之裝配成果略

優於樣本一，分析其原因應為樣本二之直徑較小，直徑附

近之弦長變化率極小，其變動範圍更較樣本一為小，故樣

本二之裝配成果較為優異。

表 3 樣本一實驗結果

Table 3 Results of assembly test for Sample 1

實驗一實驗二實驗三實驗四實驗五

掃描解析度 0.5mm 0.5mm 0.5mm 0.1mm 0.1mm

單點採樣數 1 10 30 10 30

圓心 Y 偏差量平均值 9.38 9.14 9.12 9.22 9.12

圓心 Y 偏差量標準差 0.33 0.09 0.05 0.11 0.07

圓心 Z 座標平均值 540.38 540.03 539.85 539.72 540.45

圓心 Z 座標標準差 1.82 1.06 0.74 0.98 0.86

直徑平均值 43.55 42.53 42.51 42.77 42.4

直徑標準差 0.44 0.12 0.11 0.14 0.27

成功率 56.60% 73.33% 86.60% 83.30% 83.30%

表 4 樣本二實驗結果比較

Table 4 Results of assembly test for Sample 2

實驗一實驗二實驗三實驗四實驗五

掃描解析度 0.5mm 0.5mm 0.5mm 0.1mm 0.1mm

掃描平均數 1 10 30 10 30

圓心 Y 偏差平均值 8.90 8.02 8.01 8.01 7.98

圓心 Y 偏差標準差 0.71 0.29 0.06 0.19 0.07

圓心 Z 座標平均值 474.25 477.05 477.63 477.46 477.69

圓心 Z 座標標準差 2.56 1.81 0.22 1.11 0.16

直徑平均值 37.89 36.59 36.60 36.53 36.69

直徑標準差 1.15 0.23 0.14 0.17 0.21

成功率 23.30% 90.00% 100.00% 96.60% 100.00%

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四、結論

本研究使用 LabVIEW 整合了 HOKUYO URG-04LX

雷射測距儀和 MITSUBISHI RV-1A 機械手臂，透過 RS-

232 傳輸線與 PC 的連線，並在人機介面上提供友善的操

作介面，操控機械手臂及雷射測距儀完成孔洞中心搜尋

及自動組裝之工作。在孔洞中心搜尋任務上，樣本一裝配

本體直徑為 40.85mm，裝配軸直徑 40.45mm，導角 45

°1mm，容許誤差 1.2mm 的成功率在理想條件下最高達

到 86.6％，樣本二裝配本體直徑為 35.1mm，裝配軸直

徑 34.65mm，導角 45° 0.7mm，容許誤差 0.925mm，

成功率最高達到 100%。為改善雷射測距儀精度不足的限

制，採用單點重複掃描後平均法雖可大幅改善實驗成功

率，惟亦須付出掃描過程高耗時的代價。本試驗結果顯示

單點採樣數由 10 提升至 30 次時，單次實驗時間將會由

10 分鐘提高至 15 分鐘。整體言之，本研究已成功利用

LabVIEW 程式整合二維雷射測距儀與機器人系統，並搭

配三維空間孔洞與自動裝配目標特徵的搜尋能力，不僅

相對穩定性佳、不受光照環境影響且資料容易處理，可有

效完成智慧組裝的任務目標。

五、參考文獻

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2017 年 06月 19日收稿

2017 年 07月 19日修正

2017 年 08月 09日接受

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