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機械工業雜誌
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異質雙臂協作關鍵控制技術開發
作者
蔡孟諺、林哲丞、蕭得聖
刊登日期:2026/08/01
摘要
本研究針對異質雙臂協同搬運任務,開發一種無需通訊之主從式控制架構。核心技術包含:(1) 外
擾觀察器 (DOB) 設計:將雙臂位移差視為外擾,利用從臂力感測資訊推估主臂動態,並透過轉移函數反
模型補償運動誤差,實現高同步跟隨。(2) 力回授控制:即時修正目標力誤差並輸出速度補償訊號,如
接觸力 RMSE(Root Mean Square Error,均方根誤差)由 0.615 N 降至 0.151 N,以及速度追隨 RMSE 由
0.000354 m/s 改善至0.00029 m/s,確保協作過程之接觸穩定性與系統安全性。此架構有效解決了傳統協作
對通訊頻寬的依賴。
Abstract
This study develops a communication-free master-slave control architecture for heterogeneous dualarm
collaborative handling tasks. The core technologies include: (1) External Disturbance Observer (DOB) design:
treating the displacement difference between the two arms as an external disturbance, estimating the dynamics of
the master arm using force sensing information, and compensating for motion errors through an inverse transfer
function model to achieve high-synchronization following. (2) Force Feedback Control: real-time correction of
target force errors and output of velocity compensation signals, such as reducing the contact force RMSE (Root
Mean Square Error) from 0.615 N to 0.151 N, and improving the velocity following RMSE from 0.000354 m/s to
0.00029 m/s, ensuring contact stability and system safety during the collaborative process. This architecture effectively
solves the dependence of traditional collaborative systems on communication bandwidth.
前言
本研究提出一套無需通訊的主從式雙臂協作控制架構,針對異廠牌工業機械手臂缺乏通訊協定、難以直接合作的問題,設計出兼具穩定性與實用性的解決方案。透過此架構,僅需在從臂末端配置力感測器,即可間接推估主臂的運動狀態,使雙臂在無通訊條件下仍能完成協同搬運作業。
在同步運動部分,本研究設計外擾觀察器,將主從臂之間因運動不同步產生的相對位移視為外擾,並透過力感測器量測值結合反模型進行估測與補償,使從臂能即時修正運動狀態。此設計顯著提升雙臂運動一致性,避免因不同步而導致物體偏移或搬運失敗。
在力控制部分,僅依賴外擾觀察器難以精準維持接觸力於目標範圍內,因此本研究另行設計基於接觸力誤差回授的力控制器。當實際量測力偏離期望值時,控制器即輸出補償速度信號,以穩定接觸力並確保物體在搬運過程中的安全性。透過外擾觀察器與力控制器的雙迴路設計,本研究同時兼顧運動同步與接觸力穩定,確保搬運過程中的精度與安全性。
夾持物體之系統鑑別
在研究情境中,雙臂需協同搬運物體進行六個自由度的搬移。因此本節將進行物體於各運動自由度之系統鑑別,並建立對應的離散時間模型。所得到的模型將應用於外擾觀測器與力控制器的設計。
一、雙臂相對運動與接觸力之關係分析
透過實驗數據探討主、從雙臂於協作運動下,相對速度與相對位移對接觸力之影響。以下以沿水平方向(圖 1 Y 軸)的搬運動作為例,實驗數據如圖 2 所示,上圖為 y 軸方向之接觸力,下圖則為主手臂(紅色虛線)與從手臂(藍線)在對應方向上之速度隨時間變化曲線。
DOI:10.30256/JIM.202608_(521).0007
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2026年08月號
(單篇費用:參考材化所定價)