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研究生:楊皓哲
研究生(外文):Hao-Che Yang
論文名稱:小腿機構對仿人型機器人步態影響之研究
論文名稱(外文):Studies on Humanoid Walking Gait Influenced by Low Limb Mechanism
指導教授:杜國洋
指導教授(外文):Kuo-Yang Tu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:電機工程研究所碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:機構設計小腿應力與變形量仿人形機器人
外文關鍵詞:humanoid robotmechanism designLow Limb Mecha
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仿人形機器人的機構設計決定其步態實現的容易與否,也影響其在競賽中或現實環境中所承受反作用力的程度,設計不當將會造成機構零件的損毀與伺服馬達的壽命減短。有精密且良好的機構設計才能因地制宜設計出良好的運動步態,因此本研究針對仿人形機器人站立或行走時小腿所承受的應力與變形量進行探討。
本研究為使機器人能夠適應賽場的變化,因而設計新的小腿機構。在設計新的機構時,針對仿人形機器人行走應力與變形量做最佳化設計,並透過軟體的模擬分析,得到機構於步態中應力與變形量的分析,透過靜態模擬分析可作為機構基礎設計之參考。本研究共設計三種不同的小腿機構,並比較三種小腿外觀、應力與變形量的差異,以提供未來人形機器人設計的參考。
It’s easy to implement humanoid robot walking gait if it is designed in better mechanism. The mechanism design influences the degree of reflex force accepted by humanoid robots. Improper mechanism design can break its components and servo motor. Precise and better mechanism design is able to have better walking gait. Therefore, in this thesis the stress and deformation amount of a humanoid robot during standing up or walking is studied.
In this study, the legs of our humanoid robot are re-designed to have better gaits for wall climbing in HuroCup competition. In the re-design, the low limb mechanism of the legs is analyzed for the better stress and deformation amount during humanoid walking. The analysis, for grounding the basis of humanoid mechanism design, makes use of SolidWork software to understand the stress and deformation amount during walking. In this study, we design three different kind of low limbs for the comparison during humanoid standing up or walking forward. In addition, the software simulation for the comparison of different strides is also included.
目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
一、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
二、仿人形機器人的構造原理與運動學 3
2.1 仿人形機器人構造原理 3
2.2 仿人形機器人的運動學 7
2.2.1 Denavit-Hartenberg 7
2.2.2 仿人形機器人雙腳順向與逆向運動學方程式 11
2.2.2.1 支撐腳 11
2.2.2.2 擺動腳 18
三、人形機器人小腿機構設計 24
3.1 設計 25
3.1.1 原始小腿設計 26
3.1.2 三款新小腿之設計 28
四、仿人形機器人步態軌跡 31
4.1 定義步態軌跡參數 31
4.2 軌跡函數 33
4.3 規劃步態軌跡 35
五、腿部機構的應力分析 38
六、結論與未來展望 49
參考文獻 51


表目錄
表2-1 仿人形機器人各關節的自由度 4
表2-2 連桿座標參數表 9
表2-3 支撐腳各關節參數表 11
表2-4 擺動腳各關節參數表 18
表5-1 各關節馬達於站姿時的參數值 39
表5-2 各關節馬達於站姿時的角度值 39
表5-3 各關節馬達於半跨距步態中的解析度值 43
表5-4 各關節馬達於半跨距步態中的解析度與站立時差異表 44


圖目錄
圖2-1 本團隊使用之仿人形機器人(左邊為正面,右邊為反面) 4
圖2-2 仿人形機器人單腳座標空間定義 8
圖2-3 支撐腳各關節的座標空間 11
圖2-4 擺動腳各關節的座標空間 18
圖3-1a FIRA爬樓梯項目_樓梯設計圖 24
圖3-1b FIRA爬樓梯項目_樓梯示意圖 24
圖3-2 原始小腿機構設計圖 27
圖3-3 原始機器人足部蹲下示意圖 27
圖3-4 小腿機構1 29
圖3-5 小腿機構2 29
圖3-6 小腿機構3 29
圖3-7 小腿1 足部蹲下示意圖 30
圖3-8 小腿2 足部蹲下示意圖 30
圖3-9 小腿3足部蹲下示意圖 30
圖4-1 仿人型機器人側平面的步態參數示意圖 32
圖4-2 仿人型機器人在前平面的步態參數 33
圖4-3 步態軌跡示意圖 34
圖4-4 前平面擺動軌跡圖 35
圖4-5 步態軌跡程式化 36
圖4-6 擺動腳擺線軌跡模擬圖 36
圖4-7 支撐腳梯形軌跡模擬圖 37
圖4-8 機器人3D行走軌跡模擬圖 37
圖5-1 小腿的設計組合圖 38
圖5-2 原始設計小腿於跑道上預備行走圖 40
圖5-3 各式小腿機構組合之站立應力及變形量分析圖 42
圖5-4 人形機器人跨半步距2.5cm 45
圖5-5 人形機器人跨半步距3.0cm 46
圖5-6 人形機器人跨半步距3.5cm 47
參考文獻
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