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研究生： 張哲瀚
Che-han Chang
論文名稱： 雙足機器人之強健穩定控制
The robust and stability control of a bipled robot
指導教授： 王文俊
Wen-June Wang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 資訊電機學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 124
中文關鍵詞： 控制系統 、雙足機器人 、外力抵抗 、感測模組 、平衡控制
外文關鍵詞： sensor modules, balance Control, control system, biped robots
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    • 本論文主要在分析與研究如何賦予雙足機器人自主性的姿態強健穩定能力。其中包含了即時外力抵抗、斜坡平衡以及斜坡行走之強健穩定能力。而本研究中使用的機器人具有22個自由度，其中每個腳踝擁有2個自由度，再加上3個獨特的自由度在機器人的腰部關節，使其能夠有更多的自由度來獨立調整姿態，進而適應各種不同的環境與干擾。接著分析與模仿人類抵抗外力的方法，利用壓力感測器與慣性量測模組所測得之訊號作為輸入以建立機器人的模糊控制器，而控制器之輸出即為腳踝及腰部之角度，進而達到機器人在三種不同干擾的環境中自主平衡。最後再以實驗數據分析與比較控制器給機器人帶來的平衡貢獻，而結果証明所提出的控制器確實能有效的即時修正機器人姿態並提高其強健穩定度。

    This study proposes a real-time balance control for a humanoid robot to resist external forces or to adapt the poor environment such as resisting the forces from the hammer, standing on a moving platform and walking on a slope platform. We study the robustness of the humanoid robot with fuzzy controllers in the above three conditions. The adopted humanoid robot is constructed by 22 motors and it has three degrees of freedom (DoF) in the waist especially. To maintain the standing balance of the humanoid robot, the force sensor module and inertial measurement unit (IMU) are the input of the fuzzy controllers. Then the fuzzy controller is applied to adjust the waist and ankle angles of the robot to resist the external force and conquer the poor environment. The experiment results demonstrate that the waist-ankle fuzzy controller is efficient for the humanoid robot to resist unknown external forces and slope platform, respectively.

    摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 圖目錄 viii 表目錄 xv 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 論文目標 3 1.4 本文架構 3 第二章 系統架構與機構設計 4 2.1 系統架構 4 2.1.1 電腦端系統架構 4 2.1.2 機器人端系統架構 6 2.2 機構設計 10 2.2.1 機器人自由度設計 10 2.2.2 機器人硬體配置 11 2.2.3 機器人腰部特色 14 2.3 感測器模組 15 2.3.1 軟體與通訊協定 15 2.3.2 空間定向感測模組 16 2.3.3 足底壓力感測模組 18 第三章 機器人控制與動作開發 22 3.1 前言 22 3.2 基本控制與開發功能 22 3.2.1 馬達控制 23 3.2.2 姿態資料庫設計 25 3.3 步態開發 27 3.3.1 RoboPlus介面與動作資料庫 28 3.3.2 足部機構比較與進階步態參數微調 30 3.3.3 前進後退步態開發 33 3.4 姿態動作之整理與介面設計 36 3.4.1 動作整理部分 37 3.4.2 有限狀態機方法 38 第四章 控制策略與模糊控制器設計 43 4.1 基本分析與功能介紹 43 4.1.1 人類姿態的強健穩定方法 43 4.1.2 腰部與腳踝控制 45 4.1.3 強健穩定控制之任務情境設定 45 4.1.4 感測模組回授與輸出應用 47 4.1.5 控制器的誤差輸入與輸出討論 50 4.2 腰部控制器設計 53 4.2.1 腰部控制器I (Pitch) 53 4.2.2 腰部控制器II (Roll) 56 4.3 腳踝控制器設計 57 4.3.1 腳踝控制器I (Pitch) 58 4.3.2 腳踝控制器II (Roll) 60 4.4 控制器自動切換與介面設計 62 4.4.1 控制器切換原則 63 4.4.2 參數微調與觀測介面 63 第五章 實驗成果 65 5.1 環境介紹與實驗流程 65 5.1.2 測試平台介紹 65 5.1.1 實驗流程 68 5.2 抗力自主平衡 69 5.2.1 前方抗力 69 5.2.1 後方抗力 72 5.2.1 側面抗力 75 5.3斜坡傾斜自主平衡 78 5.3.1 斜坡前傾平衡 78 5.3.2 斜坡後傾平衡 81 5.3.3 斜坡側傾平衡 84 5.3.4 斜坡前側傾平衡測試 87 5.4 斜坡行走強健穩定控制 88 5.3.1 誤差輸入校正與情境分析 88 5.3.2 前進下坡 91 5.3.3 後退上坡 94 5.3.4 後退下坡 96 5.3.5 前進上坡 98 5.5 實驗成果總結 99 第六章 結論與未來展望 101 6.1 結論 101 6.2 未來展望 101 參考文獻 103

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