第一部份　運動控制基本原理



第1章　多軸運動控制器的基本原理

1.1　簡介 1-1

1.2　運動路徑產生器 1-3

1.3　梯形速度曲線規劃 1-6

1.4　路徑插值 1-7

1.5　位置脈波產生器 1-9

1.6　位置控制器 1-10

1.7　程式流程圖 1-12

1.8　結論與討論 1-13



第2章　點到點運動軌跡設計

2.1　等速度曲線 2-1

2.2　梯形速度曲線 2-2

2.3　最短運動時間的梯形速度曲線 2-5

2.4　固定抵達時間的梯形速度曲線 2-6

2.5　S形速度曲線 2-10

2.6　 PVT運動指令格式 2-16

2.7　梯形與S形速度曲線的程式撰寫技巧 2-18

2.8　其它點到點運動速度曲線 2-22



第3章　連續運動軌跡設計

3.1　簡介 3-1

3.2　3段PVT運動曲線 3-2

3.3　三次雲形曲線插值 3-6

3.4　均勻型基本雲形曲線 3-10

3.5　非均勻型基本雲形曲線 3-17

3.6　點到點速度曲線與連續運動曲線 3-24

3.7　圓弧插值 3-26



第4章　伺服控制系統分析與設計

4.1　簡介 4-1

4.2　直流伺服馬達控制系統之線性模式 4-2

4.4　穩定性與相對穩定 4-6

4.4　控制系統的性能與規格 4-8

4.5　穩態誤差分析 4-10

4.6　控制系統的靈敏度分析 4-12

4.7　控制系統的外部干擾分析 4-13

4.8　控制系統的分析步驟 4-15

4.9　常用的控制器型式 4-21

4.10　控制系統設計 4-25

4.11　控制器數位化與實現 4-31

4.12　數位控制器的取樣時間 4-34

4.14　轉換數位控制器為控制程式 4-34

4.14　其他常見機電系統元件的簡化線性模式 4-39



第5章　運算放大器原理與應用

5.1　類比/數位技術的演進 5-1

5.2　運算放大器基本特性與原理 5-5

5.3　基本運算放大器電路設計 5-9

5.4　濾波器設計 5-20

5.5　運算放大器的其他應用 5-29

5.6　直流伺服馬達驅動控制器設計範例 5-33



第二部份　機器人運動控制基礎



第6章　機器人簡介

6.1　機器人簡介 6-1

6.2　機器人系統的組成 6-3

6.3　機械臂簡介 6-6



第7章　座標系統與齊次矩陣

7.1　直角座標系統與平移及旋轉 7-1

7.2　連續旋轉矩陣 7-3

7.3　齊次轉換 7-15

7.4　相機座標系統 7-21



第8章　機械臂直接運動學

8.1　自定座標齊次轉換法 8-2

8.2　DH參數齊次轉換法 8-7



第9章　機械臂反運動學

9.1　基本技巧 9-2

9.2　機械臂運動學之解析解 9-4



第10章　機械臂微分運動學

10.1　基本概念 10-1

10.2　計算幾何Jacobian矩陣 10-3

10.3　Jacobian矩陣計算範例 10-7

10.3　相機Jacobian矩陣 10-18



第11章　機械臂動力學

11.1　Lagrange法 11-1

11.2　牛頓尤拉法 11-4

11.3　二軸機械臂動力方程式範例 11-8

11.4　比較Lagrange法與Newton-Euler法 11-14

11.5　串聯式機械臂動力方程式的電腦計算方法 11-18

11.6　計算範例 11-23



第12章　機械臂控制

12.1　機械臂動態數學模型 12-1

12.2　機械臂PD控制器 12-7

12.3　機械臂可變結構滑動模式PID控制 12-9

12.4　基材搬運機械臂控制器設計例 12-13



第13章　輪行移動機器人速度運動學

13.1　簡介 13-1

13.2　雙輪獨立驅動移動機器人 13-3

13.3　三輪車式移動機器人 13-5

13.4　全方位式三輪移動機器人 13-7

13.5　二輪自行車機器人 13-8

13.6　移動機器人結合影像系統例 13-11



第14章　二足步行機器人平衡及步行控制

14.1　簡介 14-1

14.2　數學模型 14-5

14.3　週期解 14-9

14.4　定點解的穩定性分析及事件驅動式控制 14-11

14.5　模擬結果 14-14

14.6　雙足機器人的運動自由度與致動器個數 14-22



第三部份　機電整合運動控制應用



第15章　機電整合系統實現

15.1　選用PC-Based系統或Embedded系統 15-1

15.2　系統所需的即時性能分析 15-6

15.3　PC-Based系統架構的應用與設計 15-10

15.4　嵌入式系統架構的應用與設計 15-15

15.5　系統介面分析與規劃 15-26

15.6　機電整合系統程式開發 15-38

15.7　由PC-Based架構導入Embedded架構 － 以骨骼鑽孔系統為例 15-43

15.8　Embedded 與PC-Based混合架構 – 機電系統實驗平台建立 15-55

15.9　專案設計與開發實例 15-60



第16章　FPGA-Based 泛用型嵌入式運動控制模組設計

16.1　前言 16-1

16.2　運動控制晶片架構設計 16-1

16.3　運動制控制晶片模組功能分析 16-3

16.4　控制模組實現 16-7

16.5　晶片整合測試 16-11

16.6　結論 16-14



第17章　雙軸數位運動控制器設計

17.1　簡介 17-1

17.2　硬體說明 17-2

17.3　軟體製作說明 17-4

17.4　運動控制原理 17-7

17.5　實驗結果 17-20

17.6　結論 17-24



第18章　脈衝型數位運動控制器設計與製作

18.1　簡介 18-1

18.2　PCI標的控制器 18-2

18.3　運動控制器硬體 18-6

18.4　多軸運動控制器軟體設計 18-8

18.5　運動控制器實證 18-10

18.6　結論 18-15



第19章　步進馬達之驅動與運動軌跡設計

19.1　簡介 19-1

19.2　步進馬達控制器方塊圖 19-1

19.3　軌跡規劃 19-2

19.4　DDA產生器 19-4

19.5　A/B相位脈波產生器 19-5

19.6　A/B脈波製作2相激磁法 19-8

19.7　微步進控制原理 19-8

19.8　微步進控制器設計例19-10

19.9　結論 19-11



第20章　遙控小馬達之位置控制器設計實例

20.1　簡介 20-1

20.2　位置命令信號讀取 20-2

20.3　馬達位置回授信號的讀取 20-5

20.4　直流馬達驅動電路 20-8

20.5　PID位置控制器 20-9

20.6　結論 20-12



第21章　工業控制器軟體設計技術

21.1　簡介 21-1

21.2　工業控制器各層軟體介紹 21-1

21.3　各層軟體內部細節介紹 21-3

21.4　位置控制器 21-7

21.5　軌跡規劃演算法 21-9

21.6　工具機工作指令集 21-16

21.7　刀具補正 21-17

21.8　遠程監控與資料分析 21-18

21.9　其它相關技術 21-19



第22章　機器人之發展與實例

22.1　機器人的發展與背景 22-1

22.2　影像測距模組於二足步行機器人之實現與應用 22-5

22.3　泛用型輪型機器人發展平台 - UBot 22-29



第23章　混合實境輪型機器人實作

23.1　前言 23-1

23.2　文獻回顧 23-2

23.3　系統架構 23-3

23.4　控制方程式 23-7

23.5　系統設計 23-8

23.6　定位與避障控制 23-12

23.7　人臉追隨 23-14

23.8　實驗結果 23-15

23.9　人臉追隨 23-20

23.10　結論 23-24



第24章　基材搬運機械臂點到點運動控制器設計

24.1　簡介 24-1

24.2　運動控制器硬體設計 24-3

24.3　數位PID控制器 24-8

24.4　S形曲線運動軌跡數位化設計 24-9

24.5　運動命令指令及人機界面 24-15

24.6　安全保護機制 24-21

24.7　結論 24-23



第25章　結合影像處理之機械臂運動控制系統及應用

25.1　簡介 25-1

25.2　FPGA晶片設計與規劃 25-4

25.3　電腦視覺與影像處理 25-8

25.4　實驗結果 25-11

25.5　結論 25-17



第26章　數位類比混合設計

26.1　數位訊號處理器發展與應用 26-1

26.2　類比技術的演進 26-6

26.3　脈波調變技術應用 26-10



附 錄

附錄一　機電整合系統常見的機電介面 附-1

附錄二　被動電子元件應用實務 附-14

附錄三　希臘字母 附-29