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研究生: 江糧安
Chiang, Liang An
論文名稱: 運用零力矩控制法於機器人穩定性改善
Improvement of Robot Stability by Zero Torque Control Method
指導教授: 葉廷仁
Yeh, Ting-Jen
口試委員: 顏炳郎
Yen, Ping-Lang
洪健中
Hong, Chien-Chong
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: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 74
中文關鍵詞: ZTC(零力矩控制演算法)機器人行走倒單擺動態控制機器人穩定性控制慣性感測器(IMU)
外文關鍵詞: Zero Torque Control, Walking Robot, Inverted Pendulum Control, Stability Control, Inertial Measurement Unit
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  • 本研究旨在探討如何增加機器人站立、行走時之強健性,由於傳統PD控制演算法需透過回授高精準的重心位置資訊,而該資訊易受雜訊、人為裝設感測器偏差,以及機器人姿態改變而影響,故實際上,精準的資訊不可得。
    本研究運用實驗室特有之控制演算法Zero Torque Control method(ZTC),將其實踐在單足機器人、雙足行走機器人上,透過在MATLAB上進行模擬與改變重心位置的實驗來驗證ZTC對於機器人穩定性的改善,使其不僅能達到修正慣性感測器(IMU)讀取重心資訊的不精準問題,亦能達到調整姿態提高穩定性,以及行為反應更接近人類的最終目的。


    The research was focused on increasing the walking and standing stability of a robot. The traditional method needs accurate Center of gravity (COG) information; however, the exact signal cannot be acquired. In fact, the signal is liable to be contaminated by noise and inertial measurement unit (IMU) may be inappropriately installed. Moreover, COG is significantly influenced by the posture of robot. A novel control method, zero torque control method (ZTC), is adopted in this research.

    To estimate the COG during the control process. The control algorithm is implemented on a one-leg robot and a humanoid robot. In order to verify the ZTC control method on the improvement of robot walking stability, a MATLAB simulation and COG-changing experiments were executed. The results showed ZTC is able to correct the inaccurate information from IMU to modify the robot posture as well as to improve the stability of walking robot.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章 序論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 機器人發展與瓶頸 1 1.3 傳統機器人動態與控制法的限制 3 1.3.1 機器人動態 3 1.3.2 Zero Moment Point 控制問題 6 1.3.3 機器人穩定性控制 7 1.4 論文簡介 8 第二章 單足機器人姿態分析與穩定性 9 2.1 控制目標與研究要旨 9 2.2 機器人動態方程式推導 10 2.3 馬達動態 13 第三章 單足機器人姿態控制器設計 16 3.1 系統狀態空間表示式與量測偏差 16 3.2 可控性分析 18 3.3 零力矩概念介紹: 20 第四章 單足機器人控制模擬結果 23 4.1 動態參數與模擬方塊圖 23 4.2 模擬數據 26 4.3 動畫模擬 31 第五章 單足機器人控制與實驗結果 32 5.1 單足機器人硬體、控制介紹 32 5.2 PD控制 36 5.3 ZERO TORQUE CONTROL(ZTC)控制 37 5.4 ZTC實作數據 38 第六章 ZTC於雙足機器人行走之運用 43 6.1 控制板、控制流程介紹 43 6.2 機器人硬體簡介 45 6.3 行走軌跡規劃控制 49 6.4 控制動態與命令 51 6.5 換步問題 52 6.6 雙足機器人系統狀態分析與模擬 55 6.7 PD 扭力控制雙足機器人行走命令與狀態 66 6.8 ZTC扭力控制雙足機器人行走命令與狀態 68 第七章 結論與未來工作 71 7.1 結論 71 7.2 未來工作 71 參考文獻 73

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