本論文實現一個人形機器人行走步態於FPGA系統平台上。在行走步態上，本論文使用正弦函數來描述雙足行走步態的公式，為了方便定義其振盪器參數，本論文選擇以機器人腰部擺動長度、步伐長度、抬腳高度以及行走時間作為參數設定，即可設計出所需要的步態軌跡，再利用逆運動學求得步態軌跡與馬達的關係。本論文將步態軌跡與逆運動學以Nios II軟體、浮點運算器（Floating Point）與FPGA硬體電路來實現與比較。在FPGA硬體電路中，以座標旋轉數位計算器（CORDIC）實現根號、三角與反三角函數的計算，只需要加減法、移位與少量的記憶體即可實現。將步態軌跡與逆運動學在FPGA硬體電路實現，可讓Nios II軟體能有更多的資源執行影像、策略以及智慧型演算法等功能。因此，本論文將行走步態從IPC中完整移植進入FPGA硬體電路，最後再加入馬達回授的機制來查看人形機器人的馬達狀態。

In this thesis, a design method of walking gait for humanoid robots based on FPGA is proposed. In the walking gait, some equations represented by sinusoidal functions are proposed to describe. In order to be more convenient to set the parameter, oscillation parameters are described by the swing length, step length, and lifting height of a humanoid robot. We use Nios II, Floating Point and FPGA to implement walking gait and inverse kinematics. Due to CORDIC algorithm only needs addition and subtraction, displacement, and mininal memory for calculating the square-root, trigonometric, and inverse trigonometric functions. From the experimental results, FPGAs are capable of high-performance parallel computing, the computational burden of IPC can be greatly reduced. Let master controller can execute strategic, image processing, intelligent algorithms, etc. Therefore, moving walking gait from IPC to FPGA is proposed in this thesis and motor feedback detection is added to detect the motor state.

目錄	I
圖目錄	V
表目錄	VIII
 第一章 序論	1
1.1　研究背景	1
1.2　研究動機	3
1.3　論文架構	4
 第二章　人形機器人系統規格介紹	5
2.1　人形機器人機構平台介紹	6
2.1.1　頭部機構介紹	8
2.1.2　手部機構介紹	8
2.1.3　腰部機構介紹	9
2.1.4　腿部機構介紹	10
2.2　人形機器人核心控制板介紹	11
2.2.1　IPC工業單板電腦	12
2.2.2　FPGA控制板	13
 第三章　座標旋轉數位計算器	15
3.1　兩種計算模式	15
3.1.1　旋轉模式	15
3.1.2　向量模式	17
3.2　三種座標系統	19
3.2.1　圓座標系統	19
3.2.2　線性座標系統	19
3.2.3　雙曲線座標系統	20
3.3　廣義表示法	21
 第四章　人形機器人系統介紹	24
4.1　資料分析模組介紹	25
4.2　確認回應模組介紹	25
4.3　SOPC模組介紹	26
4.4　感測器回授模組介紹	26
4.5　動作控制模組介紹	27
4.5.1　動作執行模組	28
4.5.2　馬達控制模組	28
4.5.3　RS-232傳送模組	28
 第五章　步態軌跡之SOPC設計	29
5.1　步態軌跡	29
5.2　SOPC與FPGA溝通	34
5.2.1　CPG	35
5.2.2　FPGA硬體接收模組	36
5.3　實驗結果	36
5.3.1　以浮點運算器實現CPG	36
5.3.2　以FPGA硬體電路實現CPG	37
 第六章　逆運動學之FPGA設計	40
6.1　逆運動學	40
6.2　FPGA硬體模組設計	43
6.3　實驗結果	45
 第七章 馬達回授之FPGA設計	50
7.1　馬達回授模組	50
7.1.1　回授編碼器模組	50
7.1.2　動作執行模組	51
7.1.3　控制命令接收模組	52
7.1.4　控制命令封包傳送模組	52
7.1.5　回授控制切換模組	52
7.1.6　RS-232傳送與接收模組	52
7.1.7　回授解碼器模組	53
7.2　實驗結果	53
 第八章　結論與未來展望	54
 參考文獻	55

 
圖目錄
圖 2.1、第九代人形機器人實體圖	6
圖 2.2、第九代機器人(a)模擬圖與(b)實體圖	7
圖 2.3、頭部馬達自由度配置圖	8
圖 2.4、手部馬達自由度配置圖	9
圖 2.5、腰部馬達自由度配置圖	10
圖 2.6、腳部馬達自由度配置圖	11
圖 2.7、MIO-2261 (a)正面與(b)背面	12
圖 2.8、H3C120-V6(a)正面與(b)背面	13
圖 3.1、旋轉模式之座標軸旋轉示意圖	16
圖 3.2、向量模式之向量旋轉示意圖	18
圖 3.3、函數計算模組之表示方式：(a)正弦函數、(b)反正切函數、(c)兩數平方和之平方根和(d)兩數平方差之平方根	23
圖 4.1、FPGA核心系統方塊圖	24
圖 4.2、資料分析模組方塊圖	25
圖 4.3、確認回應模組方塊圖	26
圖 4.4、SOPC模組方塊圖	26
圖 4.5、感測器回授模組方塊圖	27
圖 4.6、動作控制模組方塊圖	27
圖 5.1、腰部及腳部軌跡示意圖	30
圖 5.2、人形機器人示意圖	30
圖 5.3、人形機器人站立：(a)正試圖、(b)右方側視圖和(c)上視圖	31
圖 5.4、人形機器人行走步態示意圖：(a)上視圖、(b)右方側視圖和(c)正視圖	31
圖 5.5、步態軌跡模組	34
圖 5.6、SOPC與FPGA溝通模組示意圖	35
圖 5.7、FPGA硬體接收模組	36
圖 5.8、浮點運算器	37
圖 5.9、系統方塊圖	38
圖 6.1、人形機器人坐標軸示意圖：(a)正視圖和(b)右方側視圖	41
圖 6.2、CORDIC模組：(a)正弦函數模組、(b)反正切函數模組、(c)兩數平方和之平方根模組和(d)兩數平方差之平方根模組	43
圖 6.3、逆運動學模組：(a)逆運動學內部模組與(b)逆運動學模組	44
圖 6.4、完整逆運動學模組	44
圖 6.5、直走示意圖	47
圖 6.6、左轉示意圖	48
圖 6.7、右轉示意圖	49
圖 7.1、動作控制模組方塊圖	51

 
表目錄
表 2.1、Robotis馬達規格表	7
表 2.2、IPC工業單板電腦之系統規格	13
表 2.3、FPGA控制板之系統規格	14
表 3.1、CORDIC演算法基本運算之輸出入關係表	22
表 5.1、PIO數量	35
表 5.2、浮點運算器測試結果	37
表 5.3、原步態軌跡模組使用邏輯單元和晶片容量對照表	38
表 5.4、新步態軌跡模組使用邏輯單元和晶片容量對照表	39
表 6.1、各程式模組使用邏輯單元和晶片容量對照表	45
表 6.2、Nios II軟體執行與FPGA硬體電路單次執行速度	46
表 7.1、馬達角度回授封包格式	53

[1]	J. Perry, Gait Analysis: Normal and Pathological Function, Downey, CA: Rancho Los Amigos Medical Center, 1992.
[2]	Y.T. Su, K.Y. Chong, and T.H.S. Li, “Design and implementation of fuzzy policy gradient gait learning method for walking pattern generation of humanoid robots,” International Journal of Fuzzy Systems, vol. 13, no. 4, 2011, pp. 369–382.
[3]	W. Yang, H. Kim, and B.J. You, “Biologically inspired self-stabilizing control for bipedal robots,” International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 10, no. 144, 2013.
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[10]	C.C. Wong, and Y.H. Lin, “Design and implementation of GA-based fuzzy system on FPGA chip,” Cybernetics and Systems: An International Journal, vol. 39, no. 1, 2008, pp. 79–107.
[11]	P.T. Tseng, C.J. Tong, and M.T. Lin, “Design a fast tracking resolver to digital conversion method using FPGA for rotary motion applications,” Journal of the Chinese Institute of Engineers, vol. 32, no. 6, 2009, pp. 745–753.
[12]	FIRA
http://www.fira.net/main/
[13]	Robotis 
URL: http://www.robotis.com/xe/
[14]	MIO-2261
URL: http://goo.gl/0dhOke
 
[15]	EP3C120-V6
URL: http://goo.gl/kX1CVj  
[16]	陳立峰，基於手部運動之人形機器人平衡控制，淡江電機工程學系碩士論文，2013
[17]	劉智誠，小型人形機器人之及時行走的SOPC設計與實現，淡江大學電機工程學系博士論文，2014