臺灣博碩士論文加值系統

在近幾年來，雙足機器人是一相當熱門之討論主題。觀察國內外所發展之雙足機器人結構設計，其以致動器放置在各關節連桿上之設計方式占大多數。此一結構設計必須考量到制動器尺寸，因此足部外型體積會比較大；此外，在足部與地面接觸時，與地面產生之反作用力和震動亦會造成控制上之問題；其次，此一架構之下機器人電源與控制訊號配線也會相當複雜；此外，複雜之機械結構導致運動力學之計算過於複雜且不易精確。有鑑於上述現象，本論文開發一以腱纜線驅動（Tendon-Driven）機構為基礎之雙足機器人下半身結構之設計與開發；所有致動器集合於一致動器模組並配置於關節遠端處。在機構設計方面，採用3D繪圖軟體（Pro/ENGINEER）設計雙足機構，機器人整體高度為100公分，重量約45公斤，並具有12個自由度；在控制系統設計上，採用ARM7（Advanced RISC Machine）之嵌入式系統進行機器人之步態規劃控制；在行走模擬方面，則透過規劃髖部軌跡與足部軌跡，並結合機器人運動方程式，計算出機器人於行走時之各關節角度。最後透過實際開發之腱纜線驅動完成此一機器人雛形，並討論其可行性。

Biped humanoid robots are widely discussed in recent years. Actuators and gear trains of most of biped humanoid robots are divergently allocated on the links of two legs, and they are also close to the controlled joints. Disadvantages of such a mechanical design are: (1) larger size and weight of the leg part; (2) ignorable reaction forces and vibrations when contacting the ground; (3) complicated wiring of power cord and sensing/ control signal bundles; and (4) imprecise kinetics models of mixed link-and-actuator structures. Based on these drawbacks, this thesis proposes a tendon-driven mechanism to develop a lower body structure of a full-size biped humanoid robot. The actuators are collected as an actuator module, and they are placed at a distal site. A 12 degree-of-freedom mechanical structure is designed using the Pro/Engineer 3D computer aided design software. The height of the lower body structure is 100 cm in height and 45 kg in weight. In order to perform stable walking, the gait planning module is simulated and evaluated using the Matlab. At the same time, an ARM (advanced RSIC machine) based controller is developed to automatically generate walking patterns as well as to control the motors. Finally, the proposed tendon-driven biped humanoid robot prototype is implemented to verify it feasibility.

目錄
指導教授推薦書 i
口試委員會審定書 ii
長庚大學授權書 iii
誌謝 iv
摘要 v
Abstract vi
目錄 vii圖目錄 x
表目錄 xv
第一章 序論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 3
1-3 論文架構 5
第二章 文獻回顧 7
2-1 腱驅動之機構設計 7
2-2 機器人步態軌跡規劃 10
2-3 國內外雙足機器人之開發案例 17
第三章 雙足機器人腱驅動機構設計與實作 21
3-1 雙足機器人規格與設計制定 21
3-2 腱驅動雙足機器人足部機構設計與實作 23
3-3 雙足機器人致動器模組設計與實作 28
3-4 機構組裝與實現 29
3-5 雙足機器人機構參數量測 31
3-6 雙足機器人致動器選用 33
第四章 雙足機器人運動學與步態規劃 36
4-1 雙足機器人正向運動學 36
4-1-1 Denavit-Hartenberg表示法 36
4-1-2 座標轉換矩陣 38
4-1-3 雙足機器人正向運動學方程式 40
4-2 雙足機器人逆向運動學方程式 44
4-3 雙足機器人靜態重心點 48
4-4 雙足機器人動態零力矩點 52
4-5 雙足機器人之平衡討論 56
4-6 雙足機器人步行軌跡規劃 57
第五章 電控系統實現與測試 62
5-1 電控系統實現 62
5-2 關節腱驅動測試 64
5-3 步態模擬 66
5-4 步態控制與測試 76
第六章 結論與未來研究方向 78
參考文獻 79

圖目錄
圖1-1 Honda E6（a）和SONY SDR-3X（b）實體圖 2
圖1-2 系統開發架構圖 4
圖1-3 論文架構圖 6
圖2-1 筋腱控制之手指示意圖與實體圖[4] 7
圖2-2 腱驅動之機械手臂實體圖[1] 8
圖2-3 腱驅動之機械手臂內部捲線盤實體圖[1] 8
圖2-4 LOPES機器腳實體圖[5] 9
圖2-5 LOPES機器腳關節捲線盤實體圖[5] 9
圖2-6 機器人2D平面圖[18] 10
圖2-7 雙足機器人YZ平面示意圖[18] 10
圖2-8 擺線輪廓曲線圖[18] 11
圖2-9 直線步行的模擬圖[18] 11
圖2-10 機器人之動態步行模型示意圖[3] 12
圖2-11 重心軌跡圖[3] 12
圖2-12 KHR-1連桿參數示意圖（側面）[8] 13
圖2-13 KHR-1連桿參數示意圖（正面）[8] 14
圖2-14 KHR-1重心軌跡圖[8] 14
圖2-15 KHR-1雙足步行圖[8] 15
圖2-16 KHR-1理想的ZMP軌跡圖[8] 15
圖2-17 雙足機器人實體圖[20] 16
圖2-18 模擬之模型圖[20] 17
圖2-19 KHR-2機器人實體圖[7] 17
圖2-20 HRP-2機器人實體圖[7] 18
圖2-21 Lucy機器人實體圖[2] 18
圖2-22 仿肌肉之氣壓元件（PPAM）[2] 19
圖2-23 VC++視窗模擬程式介面[16] 19
圖2-24 雙足機器人實體圖[16] 20
圖2-25 大型雙足人形機器人[17] 20
圖3-1 雙足機器人基本尺寸圖 22
圖3-2 雙足機器人關節自由度示意圖 23
圖3-3 髖關節設計圖 24
圖3-4 髖關節實體圖 24
圖3-5 膝關節設計圖 25
圖3-6 膝關節實體圖 25
圖3-7 踝關節設計圖 26
圖3-8 踝關節實體圖 26
圖3-9 4.5mm鋼索線與10mm剎車線管實體圖 26
圖3-10 捲線軸盤設計圖 27
圖3-11 致動器模組設計圖與致動器放置圖 28
圖3-12 致動器模組實體圖 28
圖3-13 雙足機器人整體設計圖 29
圖3-14 雙足機器人零件分解圖 30
圖3-15 雙足機器人實體圖 30
圖3-16 雙足機器人實體圖（完成腱纜線配置） 31
圖3-17 IG-52馬達實體圖[23] 34
圖3-18 FHA-17C-100實體圖[24] 34
圖3-19 FHA-14C-100實體圖[24] 35
圖4-1 D-H連桿座標和連桿參數表示圖[14] 37
圖4-2 座標轉換示意圖 40
圖4-3 雙足機器人座標定義圖 41
圖4-4 連桿的幾何關係圖 45
圖4-5 各連桿重心位置定義 48
圖4-6 零力矩點定義圖 52
圖4-7 零力矩點簡化定義圖 54
圖4-8 動態步行簡圖 56
圖4-9 雙足機器人步行軌跡規劃流程 58
圖4-10 雙足機器人步行規劃示意圖 59
圖4-11 髖部軌跡曲線示意圖 60
圖4-12 跨步擺線輪廓曲線示意 61
圖5-1 嵌入式系統（ARM7TDMI CYS3C44B0開發板） 62
圖5-2 雙足機器人控制架構 63
圖5-3 膝關節運動分解圖 64
圖5-4 髖關節運動分解圖 64
圖5-5 髖關節運動分解圖 65
圖5-6 踝關節運動分解圖 65
圖5-7 踝關節運動分解圖 66
圖5-8 髖部X軌跡圖 68
圖5-9 髖部Y軌跡圖 68
圖5-10 髖部X-Y軌跡圖 69
圖5-11 重心X軌跡圖 69
圖5-12 重心Y軌跡圖 70
圖5-13 重心X-Y軌跡與腳掌關係圖 70
圖5-14 重心X方向加速度圖 71
圖5-15 重心Y方向加速度圖 71
圖5-16 零力矩點X方向軌跡圖 72
圖5-17 零力矩點Y方向軌跡圖 72
圖5-18 零力矩點X-Y軌跡與腳掌關係圖 73
圖5-19 左腳致動器角度圖 73
圖5-20 右腳致動器角度圖 74
圖5-21 Matlab模擬規劃步態 75
圖5-22 機器人微蹲分解圖 76
圖5-23 機器人重心轉移分解圖 77
圖5-24 機器人跨步分解圖 77

表目錄
表3-1 雙足機器人連桿參數表 32
表3-2 各關節角度限制表 33
表3-3 IG-52馬達規格表[23] 34
表3-4 FHA-17C-100規格表[24] 35
表3-5 FHA-14C-100規格表[24] 35
表4-1 左腳連桿參數表 41
表4-2 右腳連桿參數表 42
表4-3 重心位置參數表 50
表4-4 零力矩點公式參數 53
表4-5 簡化後零力矩點公式參數 55
表5-1 機器人步行模擬時間表 67

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