本論文提出一個方法來設計實現一台大型人形機器人的下半身。本論文是以高度130公分之人形機器人為最終的設計目標，所完成之下半身的高度及重量分別為89公分及47公斤。共有12個自由度，左右腳各有6個自由度，其中髖關節、膝關節及踝關節分別有3個、1個及2個自由度。本論文使用直流無刷馬達與減速機來讓各個關節具有較大的扭力輸出。在機器人機構的設計上，主要有兩項：(1)骨骼設計和(2)緩衝設計。在骨骼設計中，位於大腿骨的部分有往內彎折些許角度，這個彎折的角度並不是人類特有而是生物演化而成，經統計彎折的角度平均約為6度，這樣的角度可以讓人類的重心偏移較為迅速，用於人形機器人設計上能讓行走的穩定度更高。在緩衝設計中，在大腿機構和小腿機構之間加上氣壓棒來做為緩衝以及輔助扭矩的設計。在蹲下時，氣壓棒會有向上的推力來幫忙緩衝向下的扭矩，其可以避免突然過大的力道會造成減速機的損壞；在站立時，氣壓棒會有向上的推力來幫忙輔助向上的扭矩，其可以減少馬達所要承受的負載。由實驗結果可知，本論文所實現的大型雙足機器人可呈現重心偏移、起立及蹲下等動作。

In this thesis, a method is proposed to design and implement a lower body mechanism of an adult-sized biped robot. The final objective is to build up a humanoid robot with 130 cm tall. Its high and weight of the implemented lower body is 89 cm and 47 kg, respectively. There are 12 degrees of freedom (DOFs) for the biped robot and 6 DOFs for each leg. For each leg, there are 3 DOFs, 1 DOFs, and 2 DOFs in the hip joint, the knee joint, and the ankle joint, respectively. One DC brushless motor with one decelerator are combined to increase its torque of each joint. In the mechanical design of robot, there are two main parts: (1) skeleton design and (2) cushion design. In the skeleton design, the bone of thigh bends inward a few angles. The bending angle is not unique for humans but biological evolution. Statistically, the averaged of bending angle is around 6 degrees, which can make center of mass shift fast when the human walks. In the cushion design, the gas spring is used for the buffer and the auxiliary torque between thigh and shank mechanism. When the robot squats, the gas spring, which has upward thrust to reduce downward torque, can avoid sudden excessive force to cause decelerator damage. Also, when the robot stands up, the gas spring can reduce the load of motors. Some experimental results are presented to illustrate the implemented adult-sized biped robot could do some movements of weight shiftting, standing up, and squating.

目錄
目錄	I
圖目錄	III
表目錄	VI
第一章 緒論	1
1.1研究背景	1
1.2研究動機	3
1.3論文架構	6
第二章 大型雙足機器人之機構設計	7
2.1大型雙足機構設計流程	8
2.2自由度	9
2.3致動器挑選	10
2.3.1馬達	10
2.3.2減速機	12
2.4大型雙足機器人機構設計	14
2.4.1重量過重	16
2.4.2碳纖維棒容易脫落	19
2.4.3驅動板放置位置不佳	21
2.4.4踝關節扭力不足	22
2.4.5腳底板不符合人體比例	25
2.4.6機構製作繁瑣	27
第三章 仿生設計及扭力補償	31
3.1人體長度比例	31
3.2人體大腿彎曲	33
3.3扭力補償	37
第四章 大型雙足機器人電控設計	40
4.1工業電腦(IPC)	41
4.2 FPGA	42
4.3馬達驅動板及電源規劃	43
4.4感測器	46
第五章 實驗結果	47
5.1動作呈現	47
5.2氣壓棒實驗	51
第六章 結論與未來展望	52
參考文獻	53
 
圖目錄
圖1.1、鳥形機器人SmartBird	2
圖1.2、袋鼠機器人BionicKangaroo	2
圖1.3、狗形機器人BigDog	3
圖1.4、ASIMO	4
圖1.5、波士頓動力研發的雙足機器人	5
圖2.1、設計流程	9
圖2.2、自由度分配	9
圖2.3、馬達	10
圖2.4、諧和式減速機零件	12
圖2.5、大型雙足機器人3D CAD圖	15
圖2.6、行走流程	16
圖2.7、蹲下示意圖	17
圖2.8、氣壓棒放置位置	19
圖2.9、碳纖維棒放置處	20
圖2.10、碳纖維棒膠和處	20
圖2.11、鋁合金連結處	21
圖2.12、驅動板放置位置	22
圖2.13、行走姿勢	23
圖2.14、行走動作	24
圖2.15、皮帶輪設計	25
圖2.16、腳底板尺寸	26
圖2.17、上一代的踝關節機構件三視圖	27
圖2.18、銑刀長度	29
圖2.19、踝關節組合式設計	29
圖2.20、應力測試比較圖	29
圖3.1、身體比例圖	32
圖3.2、大型雙足機器人腳部機構比例圖	32
圖3.3、同一垂直線設計	33
圖3.4、Atlas	34
圖3.5、SAFFiR	34
圖3.6、大腿骨	35
圖3.7、雙髁角	35
圖3.8、仿人形彎折角度	37
圖3.9、氣壓棒放置處	38
圖3.10、大型人形機器人動作(a)蹲下時、(b)站立時	39
圖4.1、電控基本架構圖	40
圖4.2、工業電腦(a)上視圖、(b)下視圖	41
圖4.3、H3C120-V6 核心板	43
圖4.4、驅動器模板參考	44
圖4.5、HIWIN-Board馬達驅動板	44
圖4.6、大型雙足機器人使用之電池	45
圖4.7、磁旋轉編碼器(a)AS5145運作示意圖、(b)AS5145電路板	46
圖5.1、重心向右偏移	48
圖5.2、重心向左偏移	49
圖5.3、起立蹲下動作示意圖	50
圖5.4、蹲最低時回站立	51

表目錄
表1.1、ASIMO系列規格表	4
表2.1、實驗室上一代開發的雙足機器人規格	7
表2.2、429271直流無刷馬達規格表	11
表2.3、諧和式減速機原理	13
表2.4、諧和式減速機詳細規格	14
表2.5、膝關節承受扭矩	18
表2.6、重量比較表	18
表2.7、驅動板最寬距離	22
表2.8、上一代與本論文整體對照表	30
表3.1、雙髁角角度統計表	36
表4.1、MIO-2261規格表	42
表4.2、H3C120-V6規格表	43
表4.3、HIWIN-Board規格表	44
表4.4、各鋰電池與超級電容詳細規格表	45

參考文獻
[1]鳥形機器人URL: http://www.festo.com/cms/en_corp/11369.htm
[2]袋鼠機器人URL: http://www.festo.com/cms/en_corp/13704.htm
[3] D. Wooden, M. Malchano, K. Blankespoor, A. Howard, A. A. Rizzi and M. Raibert, “Autonomous Navigation for BigDog,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp. 4736-4741.
[4]ASIMO URL: http://world.honda.com/ASIMO
[5]PETMAN URL: http://www.bostondynamics.com/robot_petman.html
[6]Atlas URL: http://www.bostondynamics.com/robot_Atlas.html
[7]周民瑋，大型人形機器人雙足行走步態之設計與實現，淡江大學，指導教授：鄭吉泰，2014。
[8]台灣麥克昇有限公司URL:http://www.maxonmotor.com.tw/maxon/view/content/index
[9]Harmonic Drive System URL: http://www.hds.co.jp/english/
[10]台灣三柱股份有限公司URL: http://tw.misumi-ec.com/
[11]6061-T6鋁合金 URL: https://zh.wikipedia.org/wiki/6061%E9%93%9D%E5%90%88%E9%87%91

[12]碳纖維棒金財興股份有限公司URL: http://www.gtifrp.com/index.asp
[13]琥盛企業有限公司URL: http://supersen.com.tw/
[14]CNC, URL:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A9%9F%E5%BA%8A
[15]EDM 放電加工, URL:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E7%81%AB%E8%8A%B1%E5%8A%A0%E5%B7%A5
[16]WEDM線切割機 URL: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B7%9A%E5%88%87%E5%89%B2%E6%A9%9F
[17]張建成，男性與女性人體計測—人因工程在設計上的應用（原著Tilley, A.R., The Measure of Man and Woman, Henry Dreyfuss Associates），六合出版社，第16-20頁，1998。
[18]SAFFiR, URL:
http://www.vt.edu/spotlight/innovation/2015-02-04-saffir/saffir.html
[19]URL: http://efossils.org/book/knee-distal-femur-and-proximal-tibia
[20]Sexual dimorphism of the femoral bicondylar angle in Gwalior, Madhya pradesh region