半主動式雙足機器人之分析、控制與實作｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	林明徹 Evan Lin
論文名稱：	半主動式雙足機器人之分析、控制與實作 Analysis, Control and Implementation of Semi-Active Bipedal Robot
指導教授：	葉廷仁 Ting-Jen Yeh
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：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	97
中文關鍵詞：	二足步行機器人、半主動、被動動態
外文關鍵詞：	Bipedal robot, Semi-active control, Passive dynamics
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本論文所探討之半主動式二足步行機器人結合了主動與被動系統的優點，一方面充分利用重力、彈簧與機構的自然動態以節省能量的消耗；另一方面加入部份動力與主動控制以提昇其功能性與可靠度。此機器人步行任務的達成，係藉由增加彈簧、阻尼等被動元件，來儲存/釋放能量與增加系統穩定性，同時也利用所規劃的創新行走模式，大幅減少致動器的使用。透過儲存與釋放能量程式模擬以及系統實際製作，此二足步行機器人的可行性獲得了驗證。

In this research, a semi-active bipedal robot which utilizes the energy interaction in the natural dynamics is proposed. The proposed bipedal robot can reduce the power consumption of actuators and improve the walking energetics. Besides keeping the inherent power-saving performance of passive bipedal robot, the semi-active bipedal robot also possesses the capability and stability provided by actively powered robot. The feasibility of the control strategy on a semi-active bipedal robot has been simulated and verified by computer-aided software. Moreover, the hardware, including the mechanism, actuators/sensors, and electronic circuits, of the bipedal robot has already been constructed. The control algorithms has also been realized and the robot can achieve the desired walking performance.

摘要i
Abstract i
圖目錄ii
表目錄iii

第一章緒論                    1
1 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 論文簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
第二章機器人行走之原理介紹                10
1 半驅動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 人體行走之系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1 骨骼與肌肉系統. . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 肌肉肌腱與彈簧阻尼的關係. . . . . . . . . . 15
3 機器人行走策略與特色. . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1 行走策略說明：太極拳. . . . . . . . . . . . . 16
3.2 行走策略特色. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
第三章控制策略與系統之分析與設計        21
1 Under-Actuated系統數學模型與穩定度分析. . . . . 21
1.1 模型與動態. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 穩定性分析– Input-Output Linearization . . 28
2 重心控制之軌跡規劃. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 行走運動之限制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 程式動態模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
第四章機器人之主體設計51
1 座標定義與符號命名. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 自由度配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 控制及運算系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 致動器之選定與驅動電路製作. . . . . . . . . . . . . 56
5 感測器之選定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 機構設計與製造. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 控制方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.1 致動器控制方法. . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2 機器人整體架構之控制. . . . . . . . . . . . . 65
8 重心(Center Mass)控制之計算. . . . . . . . . . . . . 66
8.1 重心水平控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.2 重心X方向位置計算. . . . . . . . . . . . . . 67
8.3 重心Y-Z方向位置計算. . . . . . . . . . . . . 70
8.4 平滑步階函數. . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
第五章行走運動實驗                    72
1 行走運動實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2 重心之量測與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 步伐分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4 足底設計與摩擦力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
第六章結論與未來工作                    82
1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2 未來工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Appendix A 輸入-輸出線性化之定義            92
Appendix B 馬達驅動電路圖                94
Appendix C 運動學計算95

圖目錄
1 日本Honda 二足人型機器人ASIMO [6] . . . . . . . 5
2 倒單擺模型(Inverted Pendulum) [11] . . . . . . . . . 5
3 雙質量倒單擺模型[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4 Acrobot之連桿示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5 Van Der Linde 加入線性彈簧與阻尼代表小腿與踝關
節部份的肌肉[26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6 Van Der Linde 加入扭力彈簧與阻尼代表大腿與胯關
節部份的肌肉[26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1 猿猴在多槓間之移動情形[22] . . . . . . . . . . . . . 12
2 大腿部之前方肌群，主司屈曲動作[35] . . . . . . . . 14
3 大腿部之後方肌群，主司伸展動作[35] . . . . . . . . 14
4 大腿部之外後肌群，主司外旋動作[35] . . . . . . . . 15
5 大腿部之內收肌群，主司內旋動作[35] . . . . . . . . 15
6 小腿與踝關節肌肉群(前部) [35] . . . . . . . . . . . . 16
7 小腿肌肉群(後部) [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
8 Hill-Type的骨骼肌肉模型[36] . . . . . . . . . . . . . 17
9 太極拳方式行走策略流程圖. . . . . . . . . . . . . . 18
10 二足機器人運動控制方塊圖. . . . . . . . . . . . . . 20
1 倒單擺行走模式[32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 二維倒單擺模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 多連桿模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 倒單擺–質量-彈簧-阻尼的穩定系統. . . . . . . . . . 31
5 重心在空間中的位置軌跡. . . . . . . . . . . . . . . 35
6 腰胯下沈示意圖。(a) 正面(b) 側面. . . . . . . . . 37
7 重心轉移過程示意圖。(a) 正面(b) 側面. . . . . . 38
8 X-Y-Z三方向運動軌跡設計. . . . . . . . . . . . . . 39
9 X-Z 平面之軌跡設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
10 Y-Z 平面之軌跡設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
11 XYZ空間之軌跡設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
12 致動器全開時間與行走周期說明圖. . . . . . . . . . 42
13 n個自由度的腿部模型. . . . . . . . . . . . . . . . . 43
14 虛腳向前滑移二連桿例子. . . . . . . . . . . . . . . 45
15 虛功原理求得之數值解. . . . . . . . . . . . . . . . . 46
16 程式模擬之模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
17 程式模擬結果之等角視圖. . . . . . . . . . . . . . . 48
18 重心位置於XZ平面之軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . 49
19 重心位置於YZ平面之軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . 49
20 重心位置於三度空間中之軌跡圖. . . . . . . . . . . 50
1 設計製作流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2 Pitch、Roll與Yaw方向示意圖。. . . . . . . . . . . . 53
3 行走機器人下肢之自由度配置與感測器配置. . . . . 54
4 dSPACE DS1103 PPC 外觀. . . . . . . . . . . . . . 55
5 日製Kondo旋轉馬達KRS-2346 ICS-Red Version . . 56
6 Kondo馬達內部之金屬齒輪組. . . . . . . . . . . . . 57
7 L298N Full-Bridge Driver . . . . . . . . . . . . . . . 58
8 DC Motor Control Circuit . . . . . . . . . . . . . . . 58
9 Kondo馬達之旋轉電位計. . . . . . . . . . . . . . . . 59
10 板金補強肋(Rib) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
11 機器人整體設計架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
12 二足機器人實作尺寸大小圖. . . . . . . . . . . . . . 62
13 二足機器人完成之機構實體. . . . . . . . . . . . . . 63
14 質量-彈簧-阻尼系統示意圖. . . . . . . . . . . . . . 64
15 馬達模擬質量-彈簧-阻尼系統示意圖. . . . . . . . . 64
16 控制方塊簡化圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
17 馬達控制方塊圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
18 軌跡跟尋控制& 彈簧模擬控制方塊圖. . . . . . . . 66
19 機器人整體之控制方塊圖. . . . . . . . . . . . . . . 66
20 重心水平角度計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
21 重心X方向重心位置計算圖. . . . . . . . . . . . . . 68
22 三階平滑步階函數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1 機器人行走時間流程圖。. . . . . . . . . . . . . . . 72
2 機器人行走運動實驗分解圖。. . . . . . . . . . . . . 73
3 X,Y,Z三方向設計軌跡與實測軌跡比較圖. . . . . . . 74
4 X-Z平面設計軌跡與實測軌跡比較圖. . . . . . . . . 76
5 Y-Z平面設計軌跡與實測軌跡比較圖. . . . . . . . . 77
6 X-Y-Z 三度空間軌跡變化圖。. . . . . . . . . . . . . 78
7 重心X方向實測軌跡與設計軌跡比較圖. . . . . . . 79
8 五種CASE步伐大小比較圖. . . . . . . . . . . . . . 80
9 Ka=10 & Ka=0 之Y-Z Plane重心軌跡比較圖. . . . 80
10 接觸面積較小的足底設計. . . . . . . . . . . . . . . 81
11 接觸面積較大的足底設計. . . . . . . . . . . . . . . 81

表目錄
1 下肢關節之運動範圍. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1 程式模擬參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1 硬體設備規格表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 dSPACE DS1103 PPC 詳細規格表. . . . . . . . . . 56
3 Kondo Motor KRS-2346 ICS-Red Version 規格表. . 57
4 各模組之重量表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1 影響步伐大小參數表. . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

                                

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