本論文利用零力矩點（Zero Moment Point, ZMP）來實現大型人形機器人的靜態站立平衡，而ZMP是藉由安裝在機器人踝關節的六軸力量感測器來得知。研究內容可分為三個主題：(1)大型人形系統、(2)運動控制以及(3)平衡控制。在大型人形系統的設計上，可分為機構設計、電源系統以及軟體系統等三項。在運動控制的設計上，可分為正運動學以及逆運動學等二項。在平衡控制的設計上，本論文用六軸力量感測器來量測大型人形機器人的ZMP，並且提出一個控制方法來讓其靜態站立平衡，為達此目的，考慮使用ZMP計算以及姿態修正兩大部分。ZMP計算的部分，本論文利用六軸力量感測器所回傳的力矩值，計算出大型人形機器人的ZMP位置。姿態修正的部分，本論文根據ZMP的位置，設計模糊系統來決定機器人腰部的修正量，讓大型人形機器人可以達到良好的站立平衡。

In this thesis, 6-axis force torque sensors are installed on the ankles of an adult-sized humanoid robot to calculate its zero moment point (ZMP) so that it can be static standing balance. There are three main themes: (1) Adult-sized humanoid robot system, (2) Motion control, and (3) Balance control. In the theme of adult-sized humanoid robot system design, it can be classified into three parts: mechanism design, power system, and software system. In the theme of motion control design, it can be classified into two parts: direct kinematics and inverse kinematics. In the theme of balance control design, 6-axis force torque sensors are used to measure the ZMP of the adult-sized humanoid robot and a control method is proposed to let the robot can be static standing balance. There are two main parts: (a) ZMP calculation and (b) Attitude adjustment. In the ZMP calculation, the ZMP of the adult-sized humanoid robot is calculated by the torque values measured from the 6-axis force torque sensor which is mounted on the ankle of the robot. In the attitude adjustment, the fuzzy system based on the obtained ZMP is applied to adjust the waist of the robot so that it can be static standing balance.

目錄	I
圖目錄	IV
表目錄	VII
 第一章、緒論	1
1.1、研究背景	1
1.2、研究動機與目的	2
1.3、論文架構	3
 第二章、大型人形機器人系統介紹	4
2.1、機構設計介紹	9
2.2、電路控制單元與感測單元介紹	10
2.2.1、平台運算核心	11
2.2.2、直流無刷馬達控制器	12
2.2.3、電源介紹	13
2.2.4、大型人形機器人感測器	13
 第三章、雙足機器人運動學	15
3.1、雙足機器人之運動學模型推導	15
3.1.1、zi-1與zi無共平面	16
3.1.2、zi-1與zi互相平行	16
3.1.3、zi-1與zi相交	17
3.2、正運動學	21
3.3、逆運動學	25
 第四章、站立平衡設計與實現	29
4.1、六軸力量感測器設計	29
4.2、六軸力量感測器ZMP演算法	31
4.2.1、單腳ZMP演算法	32
4.2.2、雙腳ZMP演算法	33
4.3、模糊平衡控制器設計	34
4.3.1、x軸模糊平衡控制器	35
4.3.2、y軸模糊平衡控制器	39
4.3.3、腰部位置產生器	43
 第五章、實驗結果	45
5.1、測試平台介紹	45
5.2、靜態站立ZMP點位置校正實驗	46
5.3、靜態站立外力干擾平衡	51
 第六章、結論與未來展望	52
6.1、結論	52
6.2、未來展望	52
 參考文獻	53

圖目錄
圖2.1、第一代大型人形機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右)	5
圖2.2、第二代大型人形機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右)	5
圖2.3、第三代大型人形機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右)	6
圖2.4、第四代大型人形機器人正視圖(左)、側視圖(中)與比例圖(右)	6
圖2.5、第四代大型人形機器人之馬達配置圖	7
圖2.6、系統整合圖層	10
圖2.7、工業電腦實體圖	11
圖2.8、Maxon motor EPOS2 50/5直流無刷馬達控制器	12
圖2.9、大型人形機器人電池	13
圖2.10、六軸力量感測器	14
圖3.1、zi-1與zi無共平面示意圖	16
圖3.2、zi-1與zi互相平行示意圖	17
圖3.3、zi-1與zi相交示意圖	18
圖3.4、六軸大型人型機器人雙腳D-H連桿座標系配置	19
圖4.1、腳底六軸力量感測器位置示意圖	29
圖4.2、六軸力量感測器測試工具	31
圖4.3、ZMP點的概念	31
圖4.4、單腳ZMP演算法示意圖	33
圖4.5、雙腳ZMP演算法示意圖	34
圖4.6、模糊平衡控制器之系統方塊圖	34
圖4.7、x軸之模糊平衡控制器輸入與輸出變數	35
圖4.8、x軸之模糊平衡控制器輸入變數xzmp之歸屬函數圖	36
圖4.9、x軸之模糊平衡控制器輸入變數xzmp之歸屬函數圖	37
圖4.10、x軸之模糊平衡控制器輸出變數∆Px之歸屬函數圖	37
圖4.11、y軸之模糊平衡控制器輸入與輸出變數	39
圖4.12、y軸之模糊平衡控制器輸入變數yzmp之歸屬函數圖	40
圖4.13、y軸之模糊平衡控制器輸入變數yzmp之歸屬函數圖	41
圖4.14、y軸之模糊平衡控制器輸出變數∆Py之歸屬函數圖	41
圖4.15、腰部位置產生器輸入與輸出變數	43
圖5.1、天車吊掛機器人	45
圖5.2、大型人形機器人平衡x軸位置校正示意圖	46
圖5.3、大型人形機器人平衡y軸位置校正示意圖	46
圖5.4、靜態站立ZMP點位置校正實驗	47
圖5.5、右腳踩10mm厚的物體示意圖	48
圖5.6、大型人形機器人靜態站立	48
圖5.7、左腳不平之平衡實驗	49
圖5.8、右腳不平之平衡實驗	49
圖5.9、前方不平之平衡實驗	50
圖5.10、後方不平之平衡實驗	50
圖5.11、靜態站立外力干擾平衡示意圖	51

表目錄
表2.1、Maxon直流無刷馬達規格表[39]	7
表2.2、Harmonic Drive諧和式減速機規格表[40]	7
表2.3、第四代大型人形機器人上半身ROBOTIS馬達的規格表[41]	8
表2.4、第四代大型人形機器人設計規格表	8
表2.5、第四代大型人形機器人下半身各關節極限值	10
表2.6、MIO-5272U-U4A1E規格表[48]	11
表2.7、Maxon motor EPOS2 50/5直流無刷馬達控制器規格表[49]	12
表2.8、鋰電池詳細規格表	13
表2.9、六軸力量感測器詳細規格[50]	14
表3.1、D-H參數及說明	20
表4.1、六軸力量感測器校正	30
表4.2、x軸模糊平衡控制器模糊規則庫	38
表4.3、y軸模糊平衡控制器模糊規則庫	42
表5.1、ZMP位置校正前與校正後	47
表5.2、拉力計測試結果	51

[1]	Defense Advanced Research Projects Agency, URL:
http://www.darpa.mil/ 
[2]	DARPA Robotics Challenge, URL: 
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[39]	Maxon直流無刷馬達EC 90 flat URL:
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[40]	Harmonic Drive諧和式減速機CSG-20-160-2UH-LW URL:
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[41]	DYNAMIXEL PRO 馬達規格URL:
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[42]	S. J. Yi, S. McGill, Q. He, D. Hong and D. D. Lee, “Walk and Kick Motion Generation for a General Purpose Full Sized Humanoid Robot,” 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Nov. 2014.
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[44]	Z. B. Li, N. G. Tsagarakis, and D. G. Caldwell, “Stabilizing Humanoids on Slopes Using Terrain Inclination Estimation,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Nov. 2013, pp. 4121-4129.
[45]	N. Kanehira, T.U. Kawasaki, S. Ohta, T. Isozumi, T. Kawada, F. Kanehiro,  S. Kajita and K. Kaneko, “Design and Experiments of Advanced Leg Module (HRP-2L) for Humanoid Robot (HRP-2) Development,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2002, pp. 2455-2460.
[46]	K. Kaneko, F. Kanehiro, S. Kajita and H. Hirukawa, “Humanoid Robot HRP-2,” Proceeding of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, LA, Apr. 26-May. 1, 2004, pp. 1083-1090.
[47]	H. J. Kang, “Study on Biped Walking Robot Adaptable to Various Road Profiles,” 早稲田大学大学院先進理工学研究科生命理工学専攻・研究, 2013.
[48]	研華(ADVANTECH)公司，URL: 
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[49]	maxon motor EPOS2 50/5 URL:
http://www.maxonmotor.com.tw/maxon/view/product/control/Positionierung/347717
[50]	WACOH, URL: 
http://www.wacoh-tech.com/en/products/dynpick/
[51]	林聖文，部份體重負荷中採用壓力中心點之步態樣示辨識。國立臺北科技大學電腦與通訊研究所(指導教授：段裘慶)，2013
[52]	機器人平衡影片URL:
https://www.youtube.com/watch?v=8KWngOSVODw