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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:趙冠舜
研究生(外文):Kuan-ShunChao
論文名稱:以Linux-RTAI為基礎之雙足機器人機電整合設計與實現
論文名稱(外文):Mechatronic Design and Realization of a Linux-RTAI-Based Biped Robot
指導教授:何明字
指導教授(外文):Ming-Tzu Ho
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:182
中文關鍵詞:雙足機器人Denavit-Hartenberg表示法逆向運動學
外文關鍵詞:biped robotDenavit-Hartenberginverse kinematics
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本論文旨在設計與實現雙足機器人系統。數學模型上,利用Denavit-Hartenberg表示法定義雙足機器人各關節軸的座標系,並使用逆向運動學以計算各關節軸之運動角度。機構設計上,利用電腦輔助設計工程繪圖軟體,設計雙足機器人整體機構。以真人雙腳作為設計範本,完成雙足機器人腰部以下之機電設計與整合。控制系統上,以PC/104+與RTAI-Linux作業系統作為控制核心平台,透過PCI轉CAN通訊介面和數位訊號處理器TMS320F2812,以數位訊號處理器之單板獨立的技術,搭配馬達驅動電路、光學編碼器與PID控制器,進而完成雙足機器人控制系統之建構。經由實驗驗證雙足機器人之行走姿態規劃及控制。
The aim of this thesis is to design and implement a biped robot system. In system modeling, the Denavit-Hartenberg representation is used to define the coordinate systems of joints, and inverse kinematics is utilized to calculate the angular displacement of each joint. The computer-aided design software is used to design the mechanical structure of the robot. The entire design concept of the robot is based on the humanoid lower body. In the control system, the control kernel platform is based on a PC/104+ and RTAI-Linux operation system. A PCI to CAN bus communication interface is developed to connect PC/104+ and motor controllers. The motor controller is based on a digital signal processor (TMS320F2812), which is set up to operate in the standalone mode. The PID control scheme is used to carry out the motor control. The PWM motor driver is used to drive the dc motor of the joint. Angular displacement of the joint is measured by an optical encoder. The thesis verifies the performance of the developed biped robot system through experimental studies.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 VII
第一章 緒論
1-1 研究背景與動機 1-1
1-2 研究目的 1-1
1-3 研究方法及步驟 1-4
1-4 相關文獻回顧 1-6
1-5 本實驗室之相關成果 1-11
1-6 論文結構 1-12
第二章 雙足機器人系統之機構設計與製作
2-1 前言 2-1
2-2 設計概念與自由度 2-1
2-3 諧和式減速機 2-3
2-4 尺寸與空間規劃 2-6
2-5 雙足機器人之機構設計 2-8
2-5-1 踝關節機構設計 2-9
2-5-2 小腿機構設計 2-11
2-5-3 膝關節機構設計 2-12
2-5-4 大腿機構設計 2-13
2-5-5 髖關節機構設計 2-13
2-5-6 腰部身體機構設計 2-15
2-5-7 各關節最大轉動量 2-17
2-6 傳動零件設計 2-21
2-7 馬達與諧和式減速機的選取 2-23
第三章 雙足機器人之運動學
3-1 前言 3-1
3-2 Denavit-Hartenberg齊次變換矩陣 3-2
3-3 雙足機器人之座標定義 3-12
3-4 順向運動學 3-17
3-5 逆向運動學 3-18
3-6 軌跡產生 3-28
第四章 控制核心平台設計與實現
4-1 前言 4-1
4-2 PC/104+嵌入式系統平台簡介 4-2
4-3 Linux作業系統與RTAI硬即時核心 4-4
4-3-1 Linux作業系統簡介 4-4
4-3-2 RTAI硬即時核心簡介 4-5
4-3-3 多執行緒介紹 4-10
4-4 CAN匯流排簡介 4-10
4-5 PCI轉CAN通訊介面之設計與實現 4-12
4-5-1 PCI轉CAN通訊介面架構簡介 4-12
4-5-2 CAN控制器簡介 4-14
4-5-3 CAN通訊介面之硬體設計 4-18
4-5-4 CAN通訊介面之軟體設計 4-20
4-6 PID控制器設計與實現 4-23
第五章 周邊硬體電路介紹
5-1 前言 5-1
5-2 光學編碼器 5-1
5-3 PWM馬達驅動電路 5-3
5-4 數位訊號處理器TMS320F2812 5-6
5-4-1 增強型CAN介面 5-7
5-4-2 數位訊號處理器之單板獨立燒錄 5-10
5-5 雙足機器人系統之整體控制架構 5-14
第六章 實驗結果與討論
6-1 前言 6-1
6-2 足部各關節軌跡追蹤控制實驗 6-2
6-3 雙足機器人之步態控制實驗 6-14
6-3-1 步行動作12秒 6-15
6-3-2 步行動作6秒 6-28
6-3-3 空間中的位置與姿態 6-40
6-3-4 逆向運動學之各關節運動角度 6-42
6-4 實驗結論 6-46
第七章 結論與未來展望
7-1 結論 7-1
7-2 未來展望 7-1
參考文獻 Ref-1
附錄 A-1
[1]Harmonic Driver, http://www.harmonicdrive.net/
[2]TMS320F281X Digital Signal Processors Data Manual, Texas Instruments Inc., 2001.
[3]Robotic Portal, http://mindtrans.narod.ru/
[4]Waseda robot, http://www.humanoid.waseda.ac.jp/booklet/kato_2.html
[5]Y. Ogura, H. Aikawa, K. Shimomura, H. Kondo, A. Morishima, H.O. Lim, and A. Takanishi, “Development of a New Humanoid Robot WABIAN-2, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 76-81, 2006.
[6]ASIMO robot, http://world.honda.com/ASIMO/
[7]S. Nakaoka, F. Kanehiro, K. Miura, M. Morisawa, K. Fujiwara, K. Kaneko, S. Kajita, and H. Hirukawa, “Creating Facial Motions of Cybernetic Human HRP-4C, Proceedings of the 9th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 561-567, 2009.
[8]I.W. Park, J.Y. Kim, J. Lee, and J.H. Oh, “Mechanical Design of Humanoid Robot Platform KHR-3, Proceedings of the 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 321-326, 2005.
[9]MAHRU robot, http://humanoid.kist.re.kr/eng/mahruahra/info_01.php
[10]DLR-Biped, http://www.dlr.de/rm/en/desktopdefault.aspx/tabid-6838/11291_read-25964/
[11]LOLA robot, http://www.amm.mw.tum.de/1/news/aktuelle-projekte/humanoid-robots/lola/
[12]AAU-BOT robot, http://www.aaubot.aau.dk/index.php
[13]Yobotics-IHMC Biped robot, http://robot.ihmc.us/Robotics/Multimedia/IHMC_Photos/Pages/Yobotics-IHMC_Biped
[14]王紹帆,「雙足機器人的設計與實現」,國立台灣大學工學院機械工程學系碩士論文,民國九十九年。
[15]盧兆慶,「雙足機器人之步態規劃與感測系統建置」,國立台灣大學工學院機械工程學系碩士論文,民國九十九年。
[16]趙毓文,「雙足機器人之機電整合與腳步協調規劃與控制」,國立台灣大學工學院機械工程學研究所碩士論文,民國九十九年。
[17]李佳益,「Linux多執行緒即時控制系統之實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十七年。
[18]陳震豪,「利用PC/104+與Linux-RTAI之即時多工控制系統的實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十八年。
[19]許志源,「在PC/104+與CAN BUS架構下實現以Linux-RTAI為基礎之分散式即時監控系統」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十九年。
[20]簡誌佑,「以Linux-RTAI為基礎之機器人足部設計與實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○○年。
[21]I.W. Park, J.Y. Kim, and J.H. Oh, “Online Biped Walking Pattern Generation for Humanoid Robot KHR-3, Proceedings of the 6th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 398-403, 2006.
[22]K. Kaneko, F. Kanehiro, S. Kajita, K. Yokoyama, K. Akachi, T. Kawasaki, S. Ota, and T. Isozumi, “Design of Prototype Humanoid Robotics Platform for HRP, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2431-2436, 2002.
[23]I.W. Park, J.Y. Kim, J. Lee, M.S. Kim, B.K.Cho, and J.H. Oh, Humanoid Robots, Human-like Machines, 2007.
[24]K.S. Fu, R.C. Gonzalez, and C.S.G. Lee, Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence. McGraw, 1987.
[25]John J. Craig, Introduction to Robotics Mechanics and Control, Third ed., Pearson International Edition.
[26]G. Tevatia and S. Schaal, “Inverse Kinematics for Humanoid Robots, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 294-299, 2000.
[27]D.L. Pieper, “The kinematics of manipulators under computer control, Ph.D. dissertation, Stanford Univ., 1968.
[28]Muhammad A. Ali, H. Andy Park, and C.S. George Lee, “Closed-Form Inverse Kinematic Joint Solution for Humanoid Robots, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 704-709, 2010.
[29]PC/104 Embedded Consortium, http://www.pc104.org/
[30]PCM-3380 User Manual 2nd ed., Advantech, 2006.
[31]RTAI website, https://www.rtai.org/
[32]SN65HVD232 3.3-V CAN Transceivers Datasheet, Texas Instruments Inc., 2001-2006.
[33]SJA1000 Stand-Alone CAN Controller Datasheet, Philips Inc., 2000.
[34]A3941 Automotive Full Bridge MOSFET Driver, Allegro Inc., 2008.

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