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研究生： 陳信甫
Chen, Hsin-Fu
論文名稱： 基於事件控制達成擬人自然步態行走之欠致動雙足機器人
Event-based Control of an Underactuated Bipedal Robot which Mimics the Natural Gait of Human Walking
指導教授： 葉廷仁
Yeh, Ting-Jen
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 122
中文關鍵詞： 自然步態 、雙足機器人 、欠致動 、零點動態
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    • 本研究是要建立一套模仿人類自然步態行走之雙足機器人的方法，希望藉此提升機器人的運動速度以及效率。所謂仿人類自然步態行走模式，意指機器人行走時支撐腳膝關節角度會伸直以降低致動器的出力；擺動腳會經歷腳跟離地（heel-off）、腳趾關節旋轉（toe-rotation）繼而腳跟碰撞（heel-strike）地面以便邁開步伐、提高行走速度。為了達成目標，在研究方法上我們將採取類似於賽格威（Segway）的控制策略，使機器人以欠致動的方式往前移動。在如此的策略下，雙足機器人的動態行走不是以軌跡規劃為出發，而是建立在控制器維持機器人上半身重心偏移時所產生的動態平衡上，或是說為了保持上半身的穩定造成機器人的零點動態為往重心偏移之方向前進。除此之外，利用基於事件的控制來連貫行走過程中姿態的轉變，依此完成雙足機器人的連續行走。研究中以理論分析建構雙足機器人的行走策略流程圖，並以軟體模擬及硬體實做驗證模仿類自然步態行走的可行性。

    摘要 I 致謝辭 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 X 第一章 序論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 雙足機器人的驅動力來源 2 1.2.1 全致動式雙足機器人 2 1.2.2 被動式雙足機器人 5 1.2.3 欠致動式雙足機器人 7 1.3 人類行走 10 1.4 論文簡介 14 第二章 欠致動雙足機器人的行走策略 16 2.1 Segway – 低階的欠致動系統 16 2.2 雙足機器人的欠致動關節 18 2.3 雙足機器人的行走策略 20 2.3.1 第一階段 - 站立腳腳踝旋轉 22 2.3.2 第二階段 - 站立腳腳趾旋轉 25 2.3.3 第三階段 - 擺動腳著地 28 第三章 動態模型 32 3.1 單腳站立 33 3.2 擺動腳碰撞與站立腳轉換 34 3.2.1 擺動腳碰撞 34 3.2.2 站立腳轉換 36 3.3 虛擬限制（Virtual Constraints） 37 3.3.1 站立腳髖關節的虛擬限制 38 3.3.2 擺動腳的虛擬限制 39 3.3.3 加入虛擬限制後的動態方程式 44 3.4 基於事件的控制方法（Event-based Control） 45 3.5 雙足機器人的零點動態 48 第四章 模擬驗證 53 4.1 模擬環境 53 4.1.1 模擬模型及參數 53 4.1.2 各階段的動態方程式 55 4.2 擺動腳軌跡 60 4.3 站立腳零點動態 68 4.4 擺動腳著地 70 4.5 連續行走模擬結果 75 第五章 行走實驗 82 5.1 硬體架構 82 5.1.1 模型的座標定義與自由度配置 82 5.1.2 控制單元及電路 83 5.1.3 感測器 84 5.1.4 致動器 85 5.1.5 機構設計 86 5.2 實驗結果 89 第六章 結論及未來工作 92 6.1 結論 92 6.2 未來工作 93 附錄 94 參考資料 119 圖目錄 圖1. 1 日本HONDA的雙足機器人ASIMO[25]。 3 圖1. 2 ZMP示意圖。 4 圖1. 3 3D線性倒單擺模型(3D LIPM)[9]。 5 圖1. 4 McGeer的被動行走器示意圖。 6 圖1. 5 Collins、Wisse和Ruina製作的雙足被動行走器。 6 圖1. 6 Collins、Wisse和Ruina所製作的3D被動行走器[13]。 7 圖1. 7 Collins 等人發表在Science[14]的三種欠致動機器人 7 圖1. 8基於欠致動運動之無腳掌的雙足機器人Rabbit[15][16] 8 圖1. 9半主動式雙足機器人之姿態變化。 9 圖1. 10半主動式雙足機器人角視圖與實際步行動作。 10 圖1. 11人類的自然行走步態[26]。 10 圖1. 12 人類行走的姿態[27]。 11 圖1. 13 Waseda大學的WABIAN-2R機器人[24]。 12 圖1. 14 Segway PT[28]。 14 圖2. 1 Segway與雙足機器人模型示意圖。 19 圖2. 2 單腳站立的姿態。 20 圖2. 3 雙足機器人翻覆。 21 圖2. 4 雙足機器行走姿態。 22 圖2. 5 上半身傾斜而造成站立腳腳踝旋轉。 23 圖2. 6 站立腳與地面非垂直時的影響。 24 圖2.7 站立腳腳踝旋轉。 27 圖2. 8腳跟著地後下肢連桿形成的的四連桿機構。 30 圖2. 9腳掌著地後下肢連桿形成的的四連桿機構。 31 圖3. 1 雙足機器人在矢狀平面的模型。 33 圖3. 2 新舊座標定義。 36 圖3. 3 定義單腳站立時各關節角度。 39 圖3. 4 腳踝旋轉階段。 40 圖3. 5 腳趾旋轉階段。 42 圖3. 6 雙足機器人行走過程中設定的事件。 48 圖3. 7 欠致動雙足機器人的連續行走控制策略流程圖。 52 圖4. 1 雙足機器人模型。 54 圖4. 2 雙足機器人在各個事件點的姿態。 61 圖4. 3 擺動過程中兩腳夾角 的變化。 62 圖4. 4 擺動過程中兩腳相對角速度 的變化。 63 圖4. 5 擺動過程中擺動腳膝關節 的變化。 64 圖4. 6 擺動過程中擺動腳膝關節角速度 的變化。 64 圖4. 7 擺動過程中擺動腳踝關節 的變化。 65 圖4. 8擺動過程中擺動腳踝關節角速度 的變化。 65 圖4. 9 單腳站立時站立腳踝關節力矩。 67 圖4. 10 單腳站立時髖關節離地高度。 67 圖4. 11 擺動腳腳跟離地高度。 68 圖4. 12 腳踝初始速度與上半身傾斜角度關係圖。 70 圖4. 13 有控制髖關節高度時擺動腳腳跟垂直速度。 71 圖4. 14 沒有控制髖關節高度時髖關節離地高度。 72 圖4. 15沒有控制髖關節高度時擺動腳腳跟垂直速度。 72 圖4. 16有利用虛擬彈簧與阻尼時擺動腳腳掌垂直速度。 73 圖4. 17沒有利用虛擬彈簧與阻尼時擺動腳腳掌垂直速度。 73 圖4. 18 雙足機器人的連續行走圖形。 75 圖4. 19 站立腳與地面垂直線夾角 的軌跡。 76 圖4. 20 的軌跡。 77 圖4. 21 參數 時的 軌跡。 78 圖4. 22 人類行走時的關節彎曲角度。 79 圖4. 23 模擬的關節彎曲角度。 80 圖5. 1 機器人自由度配置。 83 圖5. 2 控制電路板。 84 圖5. 3 腳底微動開關[31]。 85 圖5. 4 IMU 6-DoF v2[30]。 85 圖5. 5 RX-64馬達[32]。 85 圖5. 6 3D機構設計。 87 圖5. 7腳趾被動關節。 87 圖5. 8機器人實體。 88 圖5. 9雙足機器人行走實驗結果。 91   表目錄 表2. 1立腳腳踝旋轉階段各關節控制。 25 表2. 2站立腳腳趾旋轉階段各關節控制。 27 表2. 3擺動腳腳跟著地後各關節控制。 30 表2. 4擺動腳腳掌著地後各關節控制。 31 表3. 1 站立腳腳踝旋轉階段之邊界條件。 42 表3. 2 站立腳腳趾旋轉階段之邊界條件。 44 表4. 1 各連桿幾何參數。 54 表4. 2 腳趾關節彈簧與阻尼。 55 表4. 3行走過程中各參數數值。 55 表4. 4 擺動腳軌跡的多項式係數。 61 表4. 5 新的擺動腳軌跡多項式係數 74 表5. 1 dsPIC30F4011詳細規格表。 83 表5. 2 RX-64馬達詳細規格表。 86 表5. 3 機構重量與尺寸。 88

    [1]M. Hirai, et al., “The Development of Honda Humanoid robot,” in Proc., IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1321-1326, May 1998.
    [2]M. Vukobratovic, B. Brovac, D. Surla and D.Stokic, Biped Locomotion, Springer-Verlag, 1990.
    [3]K. Nagasaka, H. Inour and M. Inaba, “Dynamic Walking Pattern Generation for a Humanoid Robot Based on Optimal Gradient Method,” Proc. IEEE Int. Conf. on Systems, Man and Cybernetics, Vol.6, pp. 908-913, 1999.
    [4]J. Yamaguchi, et al., “Development of a Bipedal Hunamoid Robot Having Antagonistic Driven Joints and Three DOF Trunk,” Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp.96-101, 1998.
    [5]S. Kajita, F. Kanehiro, K. Kaneko, K. Fujiwara, K. Harada, K. Yokoi and H. Hirukawa, “A Realtime Pattern Generator for Biped Walking,” Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 31-37, 2002.
    [6]S. Kajita, F. Kanehiro, K. Kaneko, K. Fujiwara, K. Harada, K. Yokoi and H. Hirukawa, “Biped walking pattern generation by using preview control of zero-moment point,” Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1620-1626, 2003
    [7]J.-H. Kim, “Walking Pattern Generation of a Biped Walking Robot using Convolution Sum,” 2007 7th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 539-544, Nov. 29 2007-Dec. 1 2007.
    [8]Choi, Kim, Oh and You, “Posture/Walking Control for Humanoid Robot Based on Kinematic Resolution of CoM Jacobian With Embedded Motion,” IEEE Trans. On Robotics, vol.23, issue 6, pp.1285-1293, 2007.
    [9]T. Sugihara, Y Nakamura, H. Inoue, “Realtime Humanoid Motion Generation through ZMP Manipulation based on Inverted Pendulum Control,” Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1404-1409, 2002.
    [10]T. McGeer, “Passive Dynamic Walking,” International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No., 2, pp. 62-82, 1990.
    [11]T. McGeer, “Passive Walking with Knees,” Proceedings of the IEEE Conference on Robotics and Automation, pp. 1640-1645, 1990.
    [12]T. McGeer, “Passive Dynamic Biped Catalogue,” Proc. 2nd Int. Symp. Exper. Robot, pp. 465-490, NewYork: Springer-Verlag , 1991.
    [13]S. Collins, M. Wisse and A. Ruina, “A Three-Dimensional Passive-Dynamic Walking Robot with Two Legs and Knees,” The International Journal of Robotics Research, Vol. 20, No. 7, pp. 607-615, July 2001.
    [14]S. Collins, A. Ruina, R. Tedrake and M. Wisse, “Efficient Bipedal Robots Based On Passive-dynamic Walkers,” Science, Vol. 307, No. 5712, pp. 1082-1085, 2005.
    [15]J. W. Grizzle, G. Abba and F. Plestan, “Asymptotically Stable Walking For Biped Robots: Analysis Via Systems With Impulse Effects,” IEEE Transactions on Automatic Control, l, Vol. 46, pp. 51-64, January 2001.
    [16]E. R. Westervelt, G. Buche, and J. W. Grizzle, “Experimental Validation Of A Framework For The Design Of Controllers That Induce Stable Walking In Planar Bipeds,” The International Journal of Robotics Research, vol. 23, No. 6, pp. 559-582, 2004.
    [17]E. R. Westervelt, J. W. Grizzle, C. Chevallereau, J. Choi and B. Morris, Feedback Control of Dynamic Bipedal Robot Locomotion, ser. Control and Automation. Boca Raton: CRC Press, June 2007.
    [18]C. Chevallereau, D. Djoudi and J. W. Grizzle, “Stable Bipedal Walking with Foot Rotation Through Direct Regulation of the Zero Moment Point,” IEEE Trans. On Robotics, Vol.24, No.32, pp. 390-401, 2008.
    [19]C. Chevallereau, J. W. Grizzle, and C.-L. Shih, “Asymptotically Stable Walking of a Five-Link Underactuated 3D Bipedal Robot,” IEEE Trans. On Robotics, Vol. 25, No.1, pp. 37-50, Feb. 2009.
    [20]Ting-Ying Wu, and T.-J. Yeh, “Optimal Design and Implementation of an Energy-Efficient, Semi-Active Biped,” Robotica, Vol. 27, 2009, pp. 841-852.
    [21]Ting-Ying Wu, and T.-J. Yeh, “An Experimental Iterative Learning Strategy for a Biped Performing Semi-Active Walking,” 2008, submitted to International Journal of Humanoid Robotics.
    [22]K. Nishiwakit, S. Kagamit, Y. Kuniyoshit, M. Inabat, H. Inouet, “Toe Joints that Enhance Bipedal and Fullbody Motion of Humanoid Robots,” Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, May. 2002.
    [23]R. Sellaouti, O. Stasse, S. Kajita, K. Yokoi and A. Kheddar, “Faster and Smoother Walking of Humanoid HRP-2 with Passive Toe Joints,” IEEE Int. Conf. on Intelligent Robotics and Systems, 9-15, pp. 909-4914, Oct. 2006.
    [24]Y. Ogura, K. Shimomura, A. Kondo, A. Morishima, T. Okubo, S. Momoki, Hun-ok Lim and A. Takanishi, “Human-like Walking with Knee Stretched, Heel-contact and Toe-off Motion by a Humanoid Robot,” Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 3976-3981, 2006.
    [25]http://world.honda.com/ASIMO/technology/
    [26]http://www.frontiernet.net/~imaging/gait_model.html
    [27]http://orthoteers.com/images/uploaded/images7/gait4.jpg
    [28]http://www.segway.com
    [29]http://www.wpi.edu/News/Transformations/2002Winter/ibot.html
    [30]http://www.sparkfun.com/commerce/categories.php
    [31]http://lib.chipdip.ru/107/DOC000107968.jpg
    [32]http://www.robotis.com/xe/dynamixel_en
    [33]N. A. Borghese, L. Bianchi and F. Lacquaniti, “Kinematic determinants of human locomotion,” J Physiol, 494(PART 3), pp.863-879, 1996.

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