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研究生： 陳信安
Shen-An Chen
論文名稱： 單足跳躍機器人之分析與實作
Analysis and Implementation of a One-Legged Hopping 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： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 79
中文關鍵詞： 單足跳躍機器人 、串接式彈性致動器 、機械共振
外文關鍵詞： One-Legged Hopping Robot, Series Elastic Actuator, Mechanical Resonance
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    • 本研究藉由分析質量-彈簧系統的動態，提出一單足跳躍機器人的機械架構與控制策略。其中在機構方面，此機器人具雙自由度致動且關節配備著並聯彈簧。而其控制策略能利用彈簧儲存/釋放能量的特性，以激發系統共振的方式累積能量來達成跳躍的目的。此種控制方式不需要規劃複雜的軌跡;也不需要計算龐大的反向動力學，且由於共振現象的應用，其對致動力矩的要求也不高。此機器人的跳躍性能已透過實作驗證，值得一提的是，實作之機器人的控制力矩係由以電動馬達為主體的串接式彈性致動器(series elastic actuator)來提供。此類的致動器能作直接力矩輸出，且因其具有背向驅動性(back-drivability)，故能使機構之自然動態充分發揮。實驗證明此機器人可作連續多次的穩定跳躍，且其最大跳躍高度為8mm。

    In this research a one-legged robot which can achieve hopping motion is analyzed and implemented. The robot has two rotational joints respectively located at the ankle and the knee. Each of the joints is equipped with a rotary actuator and a torsional spring that emulate the actuation and the passive stiffness in human muscles. Particularly, the actuators used are called series elastic actuators which can provide back-drivability for exploiting the natural dynamics of the robot. By exciting the resonance in the mechanical dynamics, the input energy can be accumulated and the robot can hop with less demanding actuation torques. The hopping performance of the robot is verified by simulations and experiments. Experimentally, the robot can perform continuous and stable hopping with the maximum height of about 8mm.

    摘要 I Abstract II 誌謝辭 III 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章 　緒論 1 1.1 研究動機與目的 ………………………………………… 1 1.2 文獻回顧 ………………………………………………… 2 1.3 論文簡介 ………………………………………………… 5 第二章 　機器人線性跳躍模型分 7 2.1 線性之簡化模型 ………………………………………… 7 2.2 線性簡化模型之跳躍策略 ……………………………… 15 第三章 機器人旋轉運動模型分 18 3.1 基於旋轉運動模型線性化的跳躍控制策略 …………… 18 3.1.1 旋轉運動模型之描述與動態推導 ……………… 18 3.1.2 旋轉運動模型之線性化 ………………………… 20 3.1.3 跳躍之穩定性分析 ……………………………… 23 3.2 機器人跳躍高度與跳躍方向分析 ……………………… 26 3.2.1 旋轉運動模型跳躍條件與線動量 ……………… 27 3.2.2 跳躍條件與線動量之線性化分析 ……………… 29 3.2.3 跳躍高度與方向之定性分析 …………………… 31 3.3 線性化模型與非線性模型的比較 ……………………… 34 第四章 機器人的跳躍主體設計 38 4.1 自由度配置 ……………………………………………… 39 4.2 致動器與感測器的選擇 ………………………………… 39 4.2.1 致動器的選擇 …………………………………… 39 4.2.2 感測器的選擇 …………………………………… 42 4.3 串聯彈簧致動器的分析與設計 ………………………… 43 4.4 機構設計與製造 ………………………………………… 47 4.4.1 串聯彈簧致動器的機構設計 …………………… 47 4.4.2 關節角度電位計之機構設計 …………………… 49 第五章 機器人跳躍模擬與實驗 54 5.1 機器人跳躍模擬 ………………………………………… 54 5.2 機器人跳躍實驗 ………………………………………… 58 5.2.1 串聯彈簧剛性測試 ……………………………… 58 5.2.2 跳躍實驗 ………………………………………… 60 第六章 結論與未來工作 74 參考文獻 77 圖目錄 圖1.1：輪形與六足機器人[2] ……………………………………… 1 圖1.2：HONDA ASIMO（左）與SONY QRIO（右）[15][16] ……… 2 圖1.3：前空翻機器人[12] …………………………………………… 2 圖1.4：一維方向的跳躍機構設計[3][4] …………………………… 3 圖1.5：多自由度的跳躍機器人設計[6] …………………………… 4 圖1.6：日本HRP-2LR多自由度跳躍機器人[8] …………………… 4 圖1.7：TOYOTA所發展的單足跳躍機器人[17] …………………… 5 圖2.1：線性之簡化模型 ……………………………………………… 8 圖2.2：灌籃（左）與跨欄（右）之動作 …………………………… 9 圖2.3：跳躍策略示意圖 …………………………………………… 16 圖3.1：旋轉運動模型 ……………………………………………… 20 圖3.2：基於線性化之跳躍控制策略流程圖 ……………………… 22 圖3.3：ZMP之穩定性分析 ……………………………………… 24 圖3.4：旋轉運動模型相對於質心之角動量 ……………………… 24 圖3.5：落地穩定性分析示意圖 …………………………………… 25 圖3.6：跳躍機器人初始姿態分析 ………………………………… 31 圖3.7：跳躍機器人三種跳躍方向及其條件 ……………………… 33 圖3.8：線性化模型與非線性模型跳躍條件與線動量的比較 …… 35 圖3.9：線性化與非線性模型在跳躍過程中質心的軌跡比較 …… 36 圖3.10：數值模擬之ZMP的軌跡 ………………………………… 37 圖4.1：單足跳躍機器人模型 ……………………………………… 38 圖4.2：跳躍機器人的自由度配置 ………………………………… 39 圖4.3：旋轉運動模型重量的配置示意圖 ………………………… 40 圖4.4：馬達與減速機構的實體圖與尺寸圖 ……………………… 41 圖4.5：GL100-10Kohm的實體圖與尺寸圖 ……………………… 42 圖4.6：PL130MB-5Kohm的實體圖與尺寸圖 …………………… 43 圖4.7：串聯彈簧致動器架構圖 …………………………………… 44 圖4.8：馬達與減速機構最大力矩與其操作頻率 ………………… 45 圖4.9：串聯彈簧機構連結方式示意圖 …………………………… 47 圖4.10：串聯彈簧致動器聯軸器設計圖與實體圖 ………………… 48 圖4.11：扭力彈簧反轉時，向外擴張變形的情形 ………………… 48 圖4.12：串聯彈簧外套筒設計組合圖與實體圖 …………………… 49 圖4.13：並聯彈簧電位計聯軸器設計示意圖 ……………………… 49 圖4.14：並聯彈簧電位計聯軸器設計實體圖 ……………………… 50 圖4.15：串聯彈簧致動器與關節角度電位計之機構設計組合圖 … 50 圖4.16：馬達、減速機構、感測器與彈簧組裝配置示意圖 ……… 51 圖4.17：致動器定子與轉子固定之機構設計 ……………………… 51 圖4.18：連桿固定機構之設計組合圖 ……………………………… 52 圖4.19：單足機器人組合圖與實體圖 ……………………………… 52 圖4.20：機器人並聯彈簧裝配實體圖 ……………………………… 53 圖5.1：機器人跳躍前ZMP的軌跡 ………………………………… 56 圖5.2：機器人跳躍模擬結果 ……………………………………… 57 圖5.3：扭力彈簧規格與固定方式示意圖 ………………………… 59 圖5.4：串聯彈簧剛性測試架構 …………………………………… 59 圖5.5：串聯彈簧剛性 ……………………………………………… 60 圖5.6：跳躍機器人硬體控制架構 ………………………………… 60 圖5.7：控制架構方塊圖 …………………………………………… 61 圖5.8：定位與力矩控制方塊圖 …………………………………… 62 圖5.9：機器人跳躍實驗結果（側視圖） ………………………… 62 圖5.10：機器人跳躍實驗結果（等角視圖） ……………………… 63 圖5.11：機器人跳躍高度等角視圖 ………………………………… 63 圖5.12：不同週期之弦波訊號力矩命令與關節角度的比較 ……… 66 圖5.13：不同週期弦波力矩訊號之機器人跳躍高度的比較 ……… 67 圖5.14：考慮腳底傾斜之系統動態 ………………………………… 69 圖5.15：T=0.4sec之弦波力矩跳躍實驗的關節軌跡 ……………… 70 圖5.16：以跳躍實驗之關節軌跡比較線性化與非線性模型 ……… 71 圖5.17：跳躍過程中質心x方向的軌跡 …………………………… 72 表目錄 表4.1：致動器的規格表 …………………………………………… 41 表4.2：電位計的規格表 …………………………………………… 42 表5.1：ADAMS模擬參數設定表 …………………………………… 58 表5.2：扭力彈簧尺寸規格表 ……………………………………… 59 表5.3：跳躍機器人自然頻率計算結果 …………………………… 65

    [1] Robinson, D. W., Pratt, J. E., Paluska, D. J., and Pratt, G. A., 1999, “Series Elastic Actuator Development for a Biomimetic Walking Robot,” IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Sept. 19-22

    [2] Cham, J. G., Cutkosky, M. R., 2004, “Dynamic Stability of Open-loop Hopping,” ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Sept.

    [3] Okubo, H., Nakano, E., and Handa, M., 1996, “Design of a Jumping Machine Using Self-energizing Spring,” Journal of The Robotics Society of Japan , Vol. 18, No.6, p.p. 132-137

    [4] Ainfiev, T., Armada, M., and Montes, H., 2003, “Vertical Movement of Resonance Hopping Robot with Electric Drive and Simple Control system,” IEEE 11th Mediterranean Conference on Control and Automation MED’03. Rodas, Grecia

    [5] Harbick, K., and Sukhatme, G., 2002, “Controlling Hopping Height of a Pneumatic Monopod,” IEEE Inernational Conference on Robotics and Automation, p.p. 3998-4003

    [6] Arikawa, K., Mita, T., 2002, ”Design of Multi-DOF Jumping Robot,” IEEE International Conference on Robotics and Automation Washington DC, May

    [7] Nagasaki, T., Kajita, S., Kaneko, K., Yakoi, K., Tanie, K., 2004, “ A Running Experiment of Humanoid Biped,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendal Japan Sept. 28-Oct. 2

    [8] Kajita, S., Nagasaki, T., Kaneko, K., Yakoi, K., and Tanie, K., 2004, “A Hop towards Running Humanoid Biped,” IEEE International Conference on Robotics and Automation New Orieans, LA, April

    [9] Nagasaki, T., Kajita, S., Yakoi, K., Kaneko, K., Tanie, K., 2003, “Running Pattern Generation and Its Evaluation Using a Realistic Humanoid Model,” IEEE International Conference on Robotics and Automation Taipei, Taiwan, Sept. 14-19

    [10] Kajita, S., Yakoi, K., Saigo, M., and Tanie, K., 2001, “Balancing a Humanoid Robot Using Backdrive Concerned Torque control and Direct Angular Momentum Feedback,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, 3376-3382

    [11] Kajita, S., Kanehiro, F., Kaneko, K., Fujuwara, K., Harada, K., Yokoi, K., and Hirukawa, H., 2003, ”Biped Walking Pattern Generation by using Preview Control of Zero Moment Point,” IEEE International Conference on Robotics and Automation Taipei, Taiwan, Sept.14-19

    [12] Raibert, M. H., Brown, H. B. Jr., Chepponis, M., 1986, ”Experiments in Balance with a 3D One-Legged Hopping Machine,” International Journal of Robotics Research, V3: 75-92

    [13] Hodgins, J. K., Raibert, M. H., 1990, ”Biped Gymnasitcs,” International Journal of Robotics Research

    [14] Nagasaka, K., Kuroki, Y., Suzuki, S., Itoh, Y., Yamaguchi, J., 2004, ”Integrated Motion Control for Walking, Jumping and Running on a small Biped Entertainment Robot,” IEEE International Conference on Robotics and Automation New Orleans, LA, April

    [15] http://asimo.honda.com/

    [16] http://www.sony.net/SonyInfo/QRIO/

    [17] http://robotgossip.blogspot.com/2006/09/jumping-robot-leg.html

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