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研究生:周致學
研究生(外文):Zhi-Xue Chou
論文名稱:大型雙足機器人之外力干擾回復平衡控制
論文名稱(外文):Push Recovery Balance Control for Adult-Sized Biped Robot
指導教授:李祖添李祖添引用關係
口試委員:翁慶昌王偉彥
口試日期:2017-07-12
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:雙足機器人運動學零力矩點行走步態外力干擾回復
外文關鍵詞:Biped RobotKinematicsZero Moment Point (ZMP)Walking GaitPush Recovery
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本論文利用自行開發之大型雙足機器人作為實驗平台,研究雙足運動中的平衡控制方法,實現基於外力干擾回復的平衡控制方式。本論文中設計一中樞模式產生器 (Central Pattern Generator, CPG)以規劃大型雙足機器人雙腳及腰部軌跡,能使機器人行走。藉由機器人受到的外力干擾,以線性倒單擺飛輪模型來估算能夠保持平衡不跌倒的跨步策略與跨步距離。由實驗結果可得知,大型雙足機器人在原地踏步,在單腳支撐時受到外力干擾,利用所提出之外力干擾回復平衡控制可以讓機器人能夠跨出步伐並保持平衡,實驗結果顯示本論文所提出方法是可行的。
In this thesis, a self-developed adult-sized biped robot is used as an experimental platform to study the balance control in bipedal movement. Push recovery-based balance control is implemented. In this thesis, we also design a Central Pattern Generator (CPG) to plan the walking trajectory of the feet and the waist for adult-sized biped robot. When the robot has been pushed by external forces , a linear inverted pendulum flywheel model is used to calculate the step strategy and step distance to let it balance and does not fall. As the result of the experiment, the adlut-sized biped robot is marking time on the ground, the push recovery balance control is able to let the robot take a step to keep balance when it stands alone and is has been pushed by external forces. Experimental results show that the the proposed method is feasible.
目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構 2
第二章 大型雙足機器人系統介紹 4
2.1 前言 4
2.2 機構設計介紹 8
2.3 電路控制單元介紹 10
第三章 人形機器人感測模組 14
3.1 前言 14
3.2 腳底壓力感測模組 14
3.3 姿態感測模組 18
第四章 雙足機器人運動學 19
4.1 前言 19
4.2 雙足機器人之運動學模型推導 20
4.3 正運動學 24
4.4 逆運動學 29
第五章 站立姿態校正 33
5.1 前言 33
5.2 站立姿態校正系統 34
第六章 大型雙足機器人之步態設計 44
6.1 前言 44
6.2 步態系統架構 44
6.3 步態軌跡 45
6.4 外力干擾回復控制系統 54
第七章 實驗結果 62
7.1 站立姿態校正 62
7.2 步態行走實現 65
7.3 外力干擾回復系統實現 68
第八章 結論與未來展望 71
8.1 結論 71
8.2 未來展望 71
參考文獻 73


圖目錄
圖2.1、第一代機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右) 5
圖2.2、第二代機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右) 5
圖2.3、第三代機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右) 5
圖2.4、第四代機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右) 6
圖2.5、第四代大型雙足機器人 8
圖2.6、工業電腦實體圖 10
圖2.7、直流無刷馬達控制器 11
圖2.8、86Duino EduCake內部系統圖 12
圖2.9、微控制器 12
圖3.1、零力矩點示意圖 15
圖3.2、六軸力量感測器 15
圖3.3、腳底六軸力量感測器位置示意圖 16
圖3.4、姿態感測模組GY-521 18
圖4.1、zi-1與zi無共平面示意圖:(a)唯一線段(b)結果 20
圖4.2、zi-1與zi互相平行示意圖:(a)無限多線段(b)結果 21
圖4.3、zi-1與zi相交示意圖 22
圖4.4、大型雙足機器人之雙腳D-H連桿座標系配置 23
圖4.5、腳底板姿態式意圖 29
圖5.1、站立座標正視圖與側視圖 34
圖5.2、機器人站立姿態校正流程圖 35
圖5.3、機器人前後傾斜示意圖 36
圖5.4、機器人前後傾斜控制結構圖 36
圖5.5、機器人左右傾斜示意 37
圖5.6、機器人左右傾斜控制結構圖 37
圖5.7、機器人左右傾斜踝關節補償示意圖 38
圖5.8、機器人左右傾斜控制流程順序示意圖:(a)左右傾斜、(b)d z長度補償、(c)d z長度補償後、(d)踝關節補償、(e)踝關節補償後、(f)理想站姿 39
圖5.9、單腳ZMP的x軸方向控制示意圖 40
圖5.10、ZMP控制結構圖 40
圖5.11、單腳ZMP的y軸方向控制示意圖 41
圖5.12、雙腳ZMP控制示意圖 42
圖6.1、步態系統架構圖 45
圖6.2、雙足機器人示意圖 46
圖6.3、機器人行走之示意圖 47
圖6.4、CPG函式產生的波形圖 52
圖6.5、加減速梯形曲線圖 53
圖6.6、外力干擾回復平衡控制系統流程圖 55
圖6.7、外力偵測後產生最佳踏點示意圖 56
圖6.8、二維線性倒單擺模型圖 57
圖6.9、二維線性倒單擺飛輪模型圖 58
圖6.10、線性倒單擺動量示意圖 60
圖6.11、跨步平衡之軌跡示意圖 61
圖7.1、傾斜校正之前後傾斜補償圖(最後誤差±1.5°) 63
圖7.2、傾斜校正之左右傾斜補償圖(最後誤差±1.5°) 63
圖7.3、前後方向ZMP之校正圖(最後誤差±5mm) 64
圖7.4、雙足左右方向ZMP之校正圖(最後誤差±5mm) 64
圖7.5、雙腳ZMP校正圖(最後誤差±5mm) 65
圖7.6、機器人行走過程:(a)靜止、(b)重心移至右腳、(c)開始起步左腳向前跨半步、(d)重心移至左腳、(e)右腳向前跨步、(f)重心移至右腳、(g) 左腳向前跨步、(h)重心移至左腳、(i)結束收步左腳向前跨半步、(i)結束 66
圖7.7、右腳馬達之目標角度跟實際角度的比較 67
圖7.8、左腳馬達之目標角度跟實際角度的比較 68
圖7.9、外力干擾回復實驗,踏步大小為6.453cm 69
圖7.10、外力干擾回復實驗,踏步大小為8.773cm 69
圖7.11、機器人外力干擾回復過程:(a)原地踏步抬起左腳、(b)原地踏步抬起右腳、(c)原地踏步抬起左腳、(d)原地踏步抬起左腳受一後方外力、(e)右腳向前跨步並將身體側移至右邊 70


表目錄
表2.1、第四代大型雙足機器人規格表 6
表2.2、Maxon直流無刷馬達 7
表2.3、Harmonic Drive諧和式減速機 7
表2.4、大型雙足機器人下半身之各關節活動極限值 9
表2.5、工業電腦規格表 10
表2.6、直流無刷馬達控制器規格表 11
表2.7、微控制器規格表 13
表3.1、六軸力量感測器詳細規格 15
表4.1、D-H參數及說明表 23
表4.2、六軸大型人型機器人左腳D-H連桿參數表 24
表4.3、六軸大型人型機器人右腳D-H連桿參數表 24
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[16]T. Sugihara and Y. Nakamura, “Whole-body cooperative COG control through ZMP manipulation for humanoid robots,” IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Washington, DC, USA, pp. 1404–1409, May 11–15, 2002.
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[21]王彥翔,小型人形機器人之多感測器步態平衡系統,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:許駿飛),2015。
[22]林亦陽,小型人形機器人之外力干擾回復平衡控制,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2016。
[23]林其禹、郭重顯、邱士軒、李敏凡、范欽雄、林伯慎,智慧型機器人-原理與應用,初版,高立圖書有限公司,2013。
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