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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐嘉新
研究生(外文):Chia-Hsin Hsu
論文名稱:機器人輪椅上下螺旋樓梯之研究
論文名稱(外文):On Study of Climbing Spiral Stairs for a Robot Wheelchair
指導教授:陳俊達陳俊達引用關係
指導教授(外文):Chun-Ta Chen
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:機器人輪椅螺旋樓梯
外文關鍵詞:robot wheelchairspiral stair
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目前一般輪椅設計大都採用車輪式電動輪椅,故只能行走於一些比較平坦的地形,對於某些障礙地形如門檻或樓梯,則是受相當的限制。所以本論文提出旋臂式機器人輪椅,以旋臂式機構運動來克服階梯障礙,尤其針對機器人輪椅下上螺旋樓梯加以探討與研究。
本論文使用LabView撰寫機器人輪椅控制程式,並設計機器人輪椅運動介面,經由NI-Motion Card監控機器人輪椅運動訊號與命令,使機器人輪椅達到行走與攀爬階梯的作動,透過TCM電子羅盤的回授值,並針對螺旋樓梯地形進行研究與探討。
Since most wheelchairs use wheels to navigate on plane, they are quite restricted to some environments with obstacles such as doorsills stairs, etc. In this thesis, a rotational arm type of robot wheelchair is proposed to overcome the aforementioned obstacles, especially for the spiral stairs.
A controller for the robot wheelchair is programmed using the LabView software. The interface for locomotion of the robot wheelchair is also developed. A feedback control is completed through the TCM electronic compass and NI-Motion Card so that the study on the robot wheelchair climbing spiral stairs is conducted.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xiii

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 輪椅之介紹 2
1.2.1 手控型輪椅 2
1.2.2 電動型輪椅 3
1.2.3 特殊型輪椅 5
1.3 文獻回顧 9
1.4 研究動機 10
第二章 機器人輪椅之設計 11
2.1 機器人輪椅之機構 11
2.1.1 身體機構 12
2.1.2 左、右腰節 14
2.1.3 左、右腿節 16
2.1.4 左、右脛節 18
2.2 機器人輪椅運動 19
2.2.1 各肢節、車輪與履帶控制 19
2.2.2 機器人輪椅方向控制 21
2.2.3 機器人輪椅階梯攀爬範圍 23
2.3 功能模式 23
2.3.1 平面移動模式 24
2.3.2 雙觸地模式 24
2.3.3 平地類四足移動模式 25
2.3.4 上下階梯模式 25
第三章 硬體架構 28
3.1 控制系統架構 28
3.2 硬體說明 29
第四章 軟體控制架構 33
4.1 LabView軟體介紹 33
4.1.1 前置面板 33
4.1.2 程式方塊圖 34
4.1.3 圖示及聯結器 36
4.2 LabView控制軟體設計 37
4.2.1 馬達的控制程式設計 37
4.2.2 馬達PID控制程式設計 38
4.2.3 TCM2.6電子羅盤程設計 42
4.2.4 LabView程式整合 45
第五章 結果與討論 47
5.1 機器人輪椅攀爬階梯之深度 47
5.1.1 階梯尺寸 47
5.1.2 實驗步驟 48
5.1.3 實驗結果 49
5.2 機器人輪椅上下一般階梯運動 52
5.2.1 階梯尺寸 52
5.2.2 上下一般階梯運動 52
5.2.3 實驗結果 56
5.3 機器人輪椅攀爬螺旋式樓梯運動 58
5.3.1 階梯尺寸 58
5.3.2 上下螺旋階梯運動 58
5.3.3 實驗結果 69
5.4 討論 74
第六章 結論 76
6.1 結論 76
6.2 未來展望 76
參考文獻 78

圖目錄

圖1.1 手控型輪椅 2
圖1.2 (a)傳統型電動輪椅[3],(b)動力基座型電動輪椅[3] 3
圖1.3 後輪驅動型電動輪椅[3] 4
圖1.4 前輪驅動型電動輪椅[3] 4
圖1.5 iBOT 3000爬樓梯的動作圖[4] 5
圖1.6 ScoutⅡ實體圖[5] 6
圖1.7 ScoutⅡ爬樓梯的動作圖[5] 6
圖1.8 ROBHAZ-DT3實體圖[6] 7
圖1.9 ROBHAZ-DT3爬樓梯的動作圖[6] 7
圖1.10 複合型式移動機構上、下樓梯圖[7] 8
圖1.11 複合型式移動機構上、下後車廂圖[7] 8
圖2.1 機器人輪椅之整體架構圖 11
圖2.2 機器人輪椅身體圖 12
圖2.3 Panasonic-MSMA042A1E伺服馬達 13
圖2.4 步進馬達與伺服馬達的轉矩與轉速比較圖 13
圖2.5 傳動軸構造圖 14
圖2.6 腰節內部構造圖 14
圖2.7 腰節內部傳動圖 15
圖2.8 腰節的第一種運動方式 16
圖2.9 腰節的第二種運動方式 16
圖2.10 腿節內部傳動圖 17
圖2.11 腿節的運動方式 18
圖2.12 車輪模式 19
圖2.13 履帶模式 19
圖2.14 (a)電動輪椅轉彎方式,(b)本機器人輪椅轉彎方式 21
圖2.15 機器人輪椅轉彎示意圖 22
圖2.16 階梯範圍示意圖 23
圖2.17 (a)履帶觸地模式,(b)車輪觸地模式 24
圖2.18 機器人輪椅 25
圖2.19 機器人輪椅上下階梯之分解動作圖 27
圖3.1 硬體架構圖 28
圖3.2 NI-Motion Card PCI-7358 29
圖3.3 驅動器之詳細配置圖 30
圖3.4 TCM2.6電子羅盤 31
圖3.5 TCM2.6電子羅盤控制視窗 31
圖3.6 Panasonic MSMA042A1E 32
圖4.1 LabView程式前置面板 34
圖4.2 LabView程式方塊圖 35
圖4.3 LabView程式SubVI接腳圖 36
圖4.4 LabView 馬達控制之程式 37
圖4.5 Load All PID Parameters Parameters 40
圖4.6 PID調整程式前置面板 41
圖4.7 0~2000rpm無PID控制時的速度與時間圖 41
圖4.8 0~2000rpm PID控制時的速度與時間圖 41
圖4.9 0~3000rpm無PID控制時的速度與時間圖 42
圖4.10 0~3000rpm PID控制時的速度與時間圖 42
圖4.11 TCM2.6電子羅盤與電腦傳遞圖 43
圖4.12 TCM2.6子程式接線圖 44
圖4.13 Heading、Pitch、Roll三軸角度轉動圖 44
圖4.14 整合後的程式前置面板 45
圖4.15 整合後的程式方塊圖 46
圖5.1 階梯尺寸圖 47
圖5.2 (a)~(f)機器人輪椅攀爬階梯之深度測試之分解動作 49
圖5.3 履帶全部接觸階梯面Pitch與Roll訊號圖 50
圖5.4 4/5履帶接觸階梯面Pitch與Roll訊號圖 51
圖5.5 3/5履帶接觸階梯面Pitch與Roll訊號圖 51
圖5.6 一般階梯尺寸圖 52
圖5.7 (a)~(t)機器人輪椅攀爬一般直線樓梯之分解動作 55
圖5.8 上一般樓梯之Pitch與Roll訊號圖 56
圖5.9 下一般樓梯之Pitch與Roll訊號圖 57
圖5.10 螺旋樓梯尺寸圖 58
圖5.11 (a)~(z)機器人輪椅攀爬一般直線樓梯之分解動作 64
圖5.12 (a)~(t)機器人輪椅攀爬一般直線樓梯之分解動作 69
圖5.13 第一種運動方式上螺旋樓梯 70
圖5.14 第一種運動方式下螺旋樓梯 71
圖5.15 第二種運動方式上螺旋樓梯 72
圖5.16 第二種運動方式下螺旋樓梯 73
圖5.17 腰節和腿節在動作到90°形態 74
圖5.18 腰節和腿節之齒輪齒隙 75
圖5.19 攀爬螺旋樓梯腰節和腿節之齒輪齒隙 75

表目錄

表4.1 TCM2.6電子羅盤RS232腳位表 43
參考文獻

[1] Wilson, A. B., 1992, ” Wheelchairs A Prescription Guide”, New York, NY, Demos.
[2] http://sowf.moi.gov.tw/04/01.htm,內政部社會司老人福利網。
[3] C. A. MacLaurin et. al., 1981, “Wheelchair Mobility– A Summary of Activities”, RESNA PRESS, UVA.
[4] Dan Ding and Rory A. Cooper, 2005, ”Electric- Powered Wheelchairs”, IEEE Control Systems Magazine.
[5] S. Talebi1, M. Buehler, and E. Papadopoulos, 2002, ” Towards Dynamic Step Climbing For A Quadruped Robot with Compliant Legs”, McGill University, Montreal, CANADA.
[6] Woosub Lee and Sungchul Kang and Munsang Kim and Kyungchul Shin, 2005, ” Rough Terrain Negotiable Mobile Plat form with Passively Adaptive Double-Tracks and Its Application to Rescue Missions”, IEEE International Conference on Robotics and Automation.
[7] Murray J. Lawn and Takakazu Ishimatsu, 2003, ”Modeling of a Stair-Climbing Wheelchair Mechanism With High Single-Step Capability”, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, VOL. 11, NO. 3.
[8] J. G. Thacker et. al., 1994, “Understanding the Technology When SelectingWheelchairs”, RESNA PRESS, UVA.
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[10] 鄭嘉森,2000,”旋臂型移動機器人步態與姿態實驗分析”,私立大葉大學自動化工程研究所碩士論文。
[11] 謝孟言,2001,”輪椅機器人之靜穩定步態模擬與姿態控制”,私立大葉大學自動化工程研究所碩士論文。
[12] 林良鑫,2006,”載人輪椅機器上下階梯之實現”,私立大葉大學自動化工程研究所碩士論文。
[13] 林景祥,2005,”輪椅機器人之實驗運動分析”,私立大葉大學機電自動化工程研究所碩士論文。
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