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系統識別號 U0002-0108200815102700
中文論文名稱 人形機器人機構設計與應用
英文論文名稱 Mechanism Design of Humanoid Robots and Their Applications
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 詹翔閔
研究生英文姓名 Hsiang-Min Chan
學號 695460039
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-02
論文頁數 102頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-王文俊
委員-李祖聖
委員-黃志良
委員-龔宗鈞
委員-翁慶昌
中文關鍵字 機構設計  人形機器人  居家機器人 
英文關鍵字 Mechanism design  Humanoid robot  Home robot 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文主要是小型人形機器人與居家人形機器人之機構設計與運動控制。本論文所設計實現的小型人形機器人名為TWNHR-4,其身高及重量分別為43公分及3.4公斤。TWNHR-4之頭部具有2個自由度、手部各具有4個自由度、腰部具有2個自由度,以及腳部各具有7個自由度。具有26個自由度的人形機器人機構設計讓TWNHR-4能像人類一樣的直走後退、左右平移、左右轉、爬起、舉重與投籃。此外,本論文所設計實現的居家人形機器人名為TWNHSR-1,其高度及重量分別為123公分及16.3公斤。TWNHSR-1是一台具有2個輪子與2隻手臂的居家人形機器人, TWNHSR-1之頭部具有2個自由度、手部各具有6個自由度,以及底盤具有2個驅動輪。具有6個自由度的手部機構設計能透過逆運動學的控制規劃來讓TWNHSR-1能抓取到手部之有效移動範圍內的物體。在機構之設計與控制上,本論文提出一套設計流程並利用Solidworks軟體設計與計算機器人的機構,利用此方式能夠快速計算出所設計機構的重量,再透過實際量測欲裝置於機器人上的零件,我們便可預估出欲製造的機器人的總重。當確實知道機器人的總重時,我們便可透過設計來確保各個自由度的馬達沒有超出工作負載,進而確保所設計的機構能做出我們所預期動作。從實體展示中可知,所設計實現的人形機器人確實可以流暢地執行所欲執行的動作。
英文摘要 The mechanical structure design and motion control of a small-size humanoid robot and a home humanoid robot are proposed in this thesis. First, a small-size humanoid robot with 26 DOF (degrees of freedom) named TWNHR-4 is design and implemented. The height and weight of TWNHR-4 is 43 cm and 3.4 kg, respectively. There are 2 DOF on the head, 2 DOF on the trunk, 4 DOF on each arm, and 7 DOF on each leg. Some basic experiments of TWNHR-4 are presented to illustrate that the proposed mechanical structure lets the robot walk forward, turn, slip, stand up, weight lifting, and play basketball effectively. Then, a home humanoid robot named TWNHSR-1 with a stereo vision, two arms, and two wheels is design and implemented. The height and weight of TWNHSR-1 is 123 cm and 16.3 kg, respectively. There are 2 DOF on the head and 6 DOF on each arm. Based on the inverse kinematics of arm, the arm can be controlled to capture any object in the effective reaching region of the arm. Some basic experiments illustrate that the proposed mechanical structure lets TWNHSR-1 capture the object effectively.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 論文架構 6
第二章 小型人形機器人機構設計 7
2.1 環境介紹 7
2.2 小型人形機器人機構設計方法 10
2.3 小型人形機器人腳部機構設計 26
2.4 小型人形機器人身體與腰部機構設計 35
2.5 小型人形機器人手部與頭部機構設計 40
2.6 小型人形機器人機構設計成果 45
第三章 居家人形機器人機構設計 58
3.1 環境介紹 58
3.2 居家人形機器人機構設計方法 60
3.3 居家人形機器人手臂機構設計 66
3.4 居家人形機器人機構設計成果 73
第四章 居家人形機器人手臂控制設計 77
4.1 環境介紹 77
4.2 居家人形機器人手臂介面功能 78
4.3 居家人形機器人手臂介面設計 82
4.4 居家人形機器人手臂抓取成果 89
第五章 結論與未來展望 90
5.1 結論 90
5.2 未來展望 90
參考文獻 92
研究著作 96
得獎經歷 98
附錄A 鋁合金化性、物性、特性一覽 100
附錄B ROBOTIS伺服機比較 102
圖目錄
圖1.1.1、 第零代人形機器人實體圖 3
圖1.1.2、 第一代人形機器人實體圖 3
圖1.1.3、 第二代人形機器人實體圖 4
圖1.1.4、 第三代人形機器人實體圖 4
圖1.1.5、 第四代人形機器人實體圖 4
圖1.1.6、 居家人形機器人實體圖 4
圖2.1.1、 2007 RoboCup人形機器人規格限制圖 8
圖2.2.1、 GWS NARO+F HP型號的伺服機 14
圖2.2.2、 KONDO KRS-788HV型號的伺服機 15
圖2.2.3、 KONDO KRS-4014HV型號的伺服機 16
圖2.2.4、 KONDO KRS-2350HV型號的伺服機 17
圖2.2.5、 EMAX PL-703562型號的鋰聚合物電池 18
圖2.2.6、 小型人形機器人供電系統圖 18
圖2.2.7、 SolidWorks2006 19
圖2.2.8、 SolidWorks2006之進入介面 20
圖2.2.9、 SolidWorks2006零件草圖繪製1 21
圖2.2.10、SolidWorks2006零件草圖繪製2 21
圖2.2.11、SolidWorks2006零件草圖繪製3 22
圖2.2.12、SolidWorks2006零件草圖繪製4 22
圖2.2.13、SolidWorks2006零件草圖繪製5 23
圖2.2.14、SolidWorks2006零件草圖繪製6 23
圖2.2.15、SolidWorks2006零件草圖繪製7 24
圖2.2.16、SolidWorks2006零件草圖繪製8 24
圖2.2.17、SolidWorks2006零件草圖繪製9 25
圖2.2.18、SolidWorks2006零件草圖繪製10 25
圖2.2.19、SolidWorks2006零件草圖繪製11 26
圖2.3.1、 小型人形機器人之腳部自由度示意圖 27
圖2.3.2、 小型人形機器人之大、小腿等長比例示意圖 28
圖2.3.3、 小型人形機器人之腰部與腿部銜接板件 29
圖2.3.4、 KONDO伺服機前轉盤 30
圖2.3.5、 KONDO伺服機後轉盤 30
圖2.3.6、 小型人形機器人之髖關節板件 30
圖2.3.7、 小型人形機器人之大腿板件 31
圖2.3.8、 小型人形機器人之小腿板件 32
圖2.3.9、 小型人形機器人之膝蓋板件1 33
圖2.3.10、小型人形機器人之膝蓋板件2 33
圖2.3.11、小型人形機器人之踝關節板件 34
圖2.3.12、小型人形機器人之踝關節板件與腳底板連接板件 34
圖2.3.13、小型人形機器人之腳掌板件 35
圖2.4.1、 小型人形機器人之身體自由度示意圖 36
圖2.4.2、 小型人形機器人之身體機構主要板件 37
圖2.4.3、 小型人形機器人之身體背部板件 38
圖2.4.4、 小型人形機器人之背後把手板件 38
圖2.4.5、 小型人形機器人之腰部左右旋轉板件 39
圖2.4.6、 小型人形機器人之腰部板件 39
圖2.5.1、 小型人形機器人之手部自由度示意圖 40
圖2.5.2、 小型人形機器人之頭部自由度示意圖 41
圖2.5.3、 小型人形機器人之手部肩膀板件 42
圖2.5.4、 小型人形機器人之手臂伺服機包覆板件 43
圖2.5.5、 小型人形機器人之手臂固定伺服機板件. 44
圖2.5.6、 小型人形機器人之手腕伺服機包覆板件 44
圖2.5.7、 小型人形機器人之手掌部份板件 45
圖2.6.1、 小型人形機器人之三維模擬圖 46
圖2.6.2、 小型人形機器人之成品實體圖 46
圖2.6.3、 小型人形機器人前進動作之展現圖 48
圖2.6.4、 小型人形機器人左移動作之展現圖 49
圖2.6.5、 小型人形機器人左轉動作之展現圖 50
圖2.6.6、 2007 FIRA人形機器人組短跑賽事 51
圖2.6.7、 2007 FIRA人形機器人組罰踢賽事 52
圖2.6.8、 2007 FIRA人形機器人組避障賽事 53
圖2.6.9、 2007 FIRA人形機器人組負重賽事 54
圖2.6.10、2007 FIRA人形機器人組籃球賽事 55
圖2.6.11、2007 FIRA人形機器人組舉重賽事 56
圖2.6.12、2007 FIRA人形機器人組馬拉松賽事 57
圖3.1.1、 國際機器人協會(IFR)調查報告 58
圖3.1.2、 RoboCup@Home場地示意圖 59
圖3.2.1、 Maxon 300869型號的直流馬達 61
圖3.2.2、 ROBOTIS Rx-64型號的伺服機 62
圖3.2.3、 ROBOTIS Rx-28型號的伺服機 63
圖3.2.4、 KONDO KRS-2350ICS型號的伺服機 64
圖3.2.5、 居家人形機器人製作過程實體圖 65
圖3.2.6、 居家人形機器人完工實體圖 65
圖3.3.1、 居家人形機器人手臂自由度示意圖 66
圖3.3.2、 居家人形機器人肩關節雙維度銜接板件 68
圖3.3.3、 居家人形機器人肩關節板件 69
圖3.3.4、 居家人形機器人手臂上肢板件 69
圖3.3.5、 居家人形機器人肘關節板件 70
圖3.3.6、 居家人形機器人手臂下肢板件 71
圖3.3.7、 居家人形機器人手腕關節板件 71
圖3.3.8、 居家人形機器人手掌部分固定板件 72
圖3.3.9、 居家人形機器人手掌部分的活動板件 72
圖3.4.2、 居家人形機器人機構成品實體圖 74
圖3.4.3、 居家人形機器人底盤驅動輪移動能力實際成果 75
圖3.4.4、 居家人形機器人手臂抓取能力實際成果 76
圖4.1.1、 2007年RoboCup德國公開賽比賽場地 77
圖4.1.2、 2007年RoboCup 美國亞特蘭大比賽場地 77
圖4.2.1、 居家人形機器人機械手臂運動控制介面 78
圖4.2.2、 居家人形機械手臂運動控制介面主視窗 79
圖4.2.3、 居家人形機械手臂運動控制介面(x, y, z)數值表 79
圖4.2.4、 居家人形機械手臂運動控制介面對應馬達角度值 80
圖4.2.5、 居家人形機械手臂運動控制介面可調式介面 81
圖4.2.6、 居家人形機械手臂運動控制介面監控螢幕 81
圖4.2.7、 居家人形機械手臂運動控制介面來回動作選單 81
圖4.3.1、 居家人形機械手臂運動控制介面運作圖 82
圖4.3.2、 居家人形機器人空間定義圖 83
圖4.3.3、 居家人形機器人右手臂俯視圖 83
圖4.3.4、 居家人形機器人右手臂右視圖 84
圖4.3.5、 居家人形機器人手臂控制直線路徑規劃示意圖 86
圖4.3.6、 居家人形機器人手臂控制多點目標路徑規畫功能流程圖87
圖4.3.7、 居家人形機器人手臂控制回程路徑產生功能流程圖 88
圖4.4.1、 居家人形機器人機械手臂抓取物品模擬圖 89
圖4.4.2、 居家人形機器人機械手臂抓取物品實景圖 89
表目錄
表1.1.1、「機器人足球系統實驗室」所完成的六款人形機器人 5
表2.1.1、FIRA 人形機器人規格限制表 8
表2.2.1、鋁板材料A.A分類編號表 11
表2.2.2、A.A規格 5052鋁板之性質 12
表2.2.3、GWS NARO+F HP伺服機規格表 14
表2.2.4、KONDO KRS-788HV伺服機規格表 15
表2.2.5、KONDO KRS-4014HV伺服機規格表 16
表2.2.6、KONDO KRS-2350HV伺服機規格表 16
表2.6.1、第四代小型人形機器人之規格 46
表3.2.1、Maxon 300869直流馬達規格表 61
表3.2.2、ROBOTIS Rx-64伺服機規格表 62
表3.2.3、ROBOTIS Rx-28伺服機規格表 63
表3.2.4、KONDO KRS-2350ICS伺服機規格表 64
表3.4.1、居家人形機器人機構規格表 73

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[27]“RoboCup @Home Rules and Regulations, ” 2008 RoboCup competition in Suzhou, China 2008.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2013-08-06公開。
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