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系統識別號 U0002-0207200500250300
中文論文名稱 四節機器人之研究
英文論文名稱 Study of a Four-Link Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 張昱升
研究生英文姓名 Yu-Seng Chang
學號 692340788
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-09
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-王文俊
委員-王銀添
中文關鍵字 四節機器人  模糊控制  零力矩點(ZMP)  類神經網路(ANN) 
英文關鍵字 Four-Link Robot  Fuzzy Control  Zero Moment Point  Artificial Neural Network 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文是設計及製作一個由三個五相步進馬達及四節等長機構所組成的機器人,主要以探討四節機器人的自我平衡垂直站立與爬行運動控制及實現,首先於個人電腦(PC)設計四節機器人的平衡垂直站立與爬行運動路徑規劃,再利用類神經網路訓練與模糊系統的控制使其完成各項指定動作。硬體方面包含機構設計、馬達、傾斜計、電路配線、類比/數位(A/D)介面卡及通訊介面的製作,在平衡垂直站立運動中以零力矩點(Zero Moment Point, ZMP)理論來計算機器人的重心,以此來判斷機器人之平衡情形,另外在爬行運動中以機器人的摩擦力為模糊控制的設計參數,利用各馬達之目標角度及速度來設計模糊控制器,經由PC運算後下達運動命令給馬達,修正其速度以實現平衡垂直站立或爬行的動作。另外在四節機器人的底部(第一節)裝設傾斜計,經由類比/數位(A/D)透過串並列通訊控制埠(RS232)傳達數據資料,所量測的角度作為站立成功與否的重要依據。經實驗驗證,四節機器人能夠完成平衡垂直站立及爬行動作的具體實現。
英文摘要 This objective of this thesis is to develop a four-link robot to stand up vertically and stablly, and to craw on a flat surface smoothly. The robot is composed of three five-phases stepping motors, four equal-length linkages and a tilt sensor. The hardware of this system includes mechanism part, a sensor, a electrical circuit, A/D, I/O interface, stepping motors, motor drivers, and a PC. First, the sequence of standing and crawling behaviors of this robot is designed and assigned by a developed software program in a PC. The artificial neural network (ANN) and fuzzy algorithm are applied to develop the standing and crawling controller for the robot. In the standing processes, the center of gravity(COG) of this robot is calculated by the developed software program in a PC. The position of the COG is an important factor to determine the stability of the standing robot by the ZMP method. In the crawling processes, the friction forces between the links and ground are calculated to determine the sequence of dynamic behaviors by a fuzzy controller. Then, the robot links are driven by the corresponding motors to display its dynamic behaviors step by step automatically. Form the experimental results, the developed robot is able to stand up vertically and stablly, and craw smoothly either on a horizontal flat surface or on a inclined plane (±2°).
論文目次 目錄
淡江大學論文提要....................................................................................I
英文提要....................................................................................................II
目錄..........................................................................................................IV
符號表......................................................................................................VI
圖表目錄..................................................................................................IX
第一章 緒論...............................................................................................1
1-1 前言.............................................................................................1
1-2 研究動機與目的.........................................................................2
第二章 基礎理論......................................................................................4
2-1 重心平衡.....................................................................................4
2-2 摩擦力分析.................................................................................9
第三章 四節機器人之架構與研究方法................................................12
3-1 硬體系統...................................................................................13
3-1-1 機構設計........................................................................13
3-1-2 電控設計........................................................................17
3-2 軟體系統...................................................................................22
3-2-1 四節機器人之動作規劃................................................22
3-2-2 控制器設計....................................................................35
第四章 實驗.............................................................................................44
4-1 實驗說明...................................................................................44
4-2 平衡垂直站立實驗...................................................................45
4-3 爬行實驗...................................................................................51
4-4 結果...........................................................................................57
第五章 結論與討論................................................................................59
5-1 結論...........................................................................................59
5-2 討論...........................................................................................60
參考文獻...................................................................................................62
附錄 A 類神經網路簡介..................................................................66
A-1 學習規則..............................................................................69
A-2 倒傳遞演算法則..................................................................71
附錄 B 模糊系統簡介......................................................................81
附錄 C 上台階動作..........................................................................85

圖表目錄
圖2-1 第一節(Link 1)計算重心變數示意圖.......................................5
圖2-2 計算重心變數示意圖................................................................7
圖2-3 站立動作重心穩定範圍示意圖................................................9
圖2-4 計算正向力變數示意圖..........................................................10
圖3-1 四節機器人硬體規格圖..........................................................14
圖3-2 四節機器人實體圖..................................................................14
圖3-3 馬達驅動器實體圖..................................................................15
圖3-4 傾斜計實體圖..........................................................................16
圖3-5 A/D微處理器示意圖...............................................................18
圖3-6 A/D光耦合器示意圖...............................................................18
圖3-7 A/D通訊處理器示意圖...........................................................19
圖3-8 A/D系統電路圖........................................................................20
圖3-9 A/D實體電路系統....................................................................20
圖3-10 系統整合架構圖......................................................................21
圖3-11 Visual Basic控制介面圖..........................................................22
圖3-12 四節機械人各節活動範圍......................................................23
圖3-13 傾斜計可量測角度範圍示意圖..............................................24
圖3-14 平衡垂直站立動作步驟示意圖..............................................27
圖3-15 Link 1與Link 4傾斜角示意圖...............................................28
圖3-16 平衡垂直站立控制流程圖......................................................29
圖3-17 爬行動作步驟示意圖..............................................................33
圖3-18 爬行控制流程圖......................................................................34
圖3-19 倒傳遞網路訓練架構圖..........................................................36
圖3-20 平衡控制系統方塊圖..............................................................37
圖3-21 爬行控制系統方塊圖..............................................................38
圖3-22 重心位置誤差量(CE)之歸屬函數圖.......................................39
圖3-23 馬達一(M1)角速度(ωb)之歸屬函數圖...................................39
圖3-24 馬達一(M1)角速度修正量(△ωb)之歸屬函數圖..................40
圖3-25 角度位置誤差量(θE)之歸屬函數圖........................................40
圖3-26 馬達一(M1)及馬達三(M3)角速度(ωC)之歸屬函數圖...........41
圖3-27 馬達一(M1)及馬達三(M3)角速度修正量(△ωC)之歸屬函數圖.......................41
圖4-1 2°斜坡示意圖..........................................................................44
圖4-2 -2°斜坡示意圖.........................................................................45
圖4-3 平衡垂直站立實驗之連拍照片..............................................47
圖4-4 平衡垂直站立實驗於水平平台之重心變化..........................49
圖4-5 平衡垂直站立實驗於斜坡(2°)平台之重心變化....................50
圖4-6 平衡垂直站立實驗於斜坡(-2°)平台之重心變化...................50
圖4-7 爬行實驗之連拍照片..............................................................53
圖4-8 爬行實驗於水平平台之動摩擦力曲線圖..............................55
圖4-9 爬行實驗於斜坡(2°)平台之動摩擦力曲線圖........................56
圖4-10 爬行實驗於斜坡(-2°)平台之動摩擦力曲線圖.......................56
圖A-1 倒傳遞類神經網路模型..........................................................68
圖B-1 模糊系統的基本架構..............................................................82
圖C-1 上台階實驗之連拍照片(一)....................................................86
圖C-2 上台階實驗之連拍照片(二)....................................................87

表3-1 五相步進馬達規格表..............................................................15
表3-2 平衡垂直站立控制規則表......................................................42
表3-3 爬行控制規則表......................................................................43
表4-1 爬行動作與動摩擦力比較表..................................................54
表A-1 類神經網路訓練樣本..............................................................77
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