系統識別號 | U0002-2108201814391000 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2018.00642 |
論文名稱(中文) | 人形機器人上下階梯之阻抗控制 |
論文名稱(英文) | Impedance Control of Ascending and Descending Stairs for Humanoid Robot |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 電機工程學系機器人工程碩士班 |
系所名稱(英文) | Master's Program In Robotics Engineering, Department Of Electrical And Computer Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 106 |
學期 | 2 |
出版年 | 107 |
研究生(中文) | 林家弘 |
研究生(英文) | Chia-Hung Lin |
學號 | 605470193 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2018-06-28 |
論文頁數 | 72頁 |
口試委員 |
指導教授
-
李祖添
委員 - 王偉彥 委員 - 劉智誠 |
關鍵字(中) |
人形機器人 阻抗控制 中樞模式產生器 上下階梯 行走步態 |
關鍵字(英) |
Humanoid Robot Impedance Control Central Pattern Generator Ascending And Descending Stairs Walking Gait |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本論文設計與實現人形機器人的一個阻抗控制系統,主要有三個部分:(1)落地偵測、(2)位置阻抗控制器、以及(3)角度阻抗控制器。在落地偵測部分,在機器人踏步時腳底接觸地面的瞬間,使用六軸力量感測器來偵測機器人腳底在接觸地面時的衝擊力。在位置阻抗控制器部分,利用六軸力量感測器感測到與地面接觸時的衝擊力計算出回縮距離,用來調整中樞模式產生器產生的步態軌跡,以減少衝擊力帶來的影響。在角度阻抗控制器部分,感測機器人落地時產生的力矩,調整踝關節角度,使機器人腳底與地面保持平行。實驗結果顯示,當人形機器人的腳底接觸地面時,本論文所使用的阻抗控制能夠抵銷掉機器人踏步時所產生的反作用力,因此所提出的方法確實可以有效的減緩機器人的腳底接觸地面時所產生的衝擊力,並減少馬達損耗。 |
英文摘要 |
In this thesis, a Impedance control is designed and implemented for humanoid robot. There are three main parts: (1)landing detection, (2)positional impedance controller, and (3)angle impedance controller. In the landing detection, using a 6-axis force sensor to detect if the robot’s foot is currently landing, and transmit the force received on landing to the computer. In the positional impedance controller design part, using the 6-axis force sensor to sense the impact force when in contact with the ground to calculate the retraction distance, and joins the gait trajectory generated by the central pattern generator to reduce the influence of the impact force. In the angle impedance controller design part, using the 6-axis force sensor to sense the torque when the robot is dropped to calculate the angle of the ankle joint so that the sole of the robot is kept parallel to the ground. As the result of the experiment, the proposed Impedance control allows the robot is able to counteract the reaction force when the foot of a humanoid robot lands. Therefore, the proposed method can efficiently reduce the impact force generated. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 目錄I 圖目錄 IV 表目錄 VIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 2 1.3 論文架構 3 第二章 人形機器人平台介紹 4 2.1 前言 4 2.2 機構設計介紹 5 2.3 核心控制板介紹 8 2.4 感測器模組 10 第三章 站立姿態校正及步態系統 15 3.1 前言 15 3.2 站立姿態校正系統 15 3.3 步態系統。 23 第四章 阻抗控制 35 4.1 前言 35 4.2 阻抗控制系統架構 35 4.3 巴特沃斯濾波器 36 4.4 位置阻抗控制器 39 4.5 角度阻抗控制器 44 第五章 實驗結果 49 5.1 站立姿態校正實現 49 5.2 上下階梯步態行走實現 52 5.3 阻抗控制實現 59 第六章 結論與未來展望 68 6.1 結論 68 6.2 未來展望 68 參考文獻 70 圖目錄 圖2.1、大型人形機器人的外觀實體圖 5 圖2.2、大型人形機器人的機構設計圖 6 圖2.3、大型人形機器人之機構設計圖: 7 (a)頭部、(b)腰部、(c)手部及(d)腳部 7 圖2.4、工業電腦實體圖 9 圖2.5、FPGA開發板實體圖:(a)正面和(b)反面 9 圖2.6、零力矩點示意圖 11 圖2.7、六軸力量感測器 11 圖2.8、六軸力量感測器位置示意圖 12 圖2.9、慣性感測器 GY-87 14 圖3.1、站立姿態校正系統架構圖 16 圖3.2、站立座標正視圖與側視圖 16 圖3.3、機器人前後傾斜示意圖 17 圖3.4、積分控制器之前後傾斜校正 17 圖3.5、機器人左右傾斜示意圖 18 圖3.6、積分控制器之左右校正 18 圖3.7、機器人左右傾斜踝關節補償示意圖 19 圖3.8、機器人左右傾斜校正流程示意圖:(a)左右傾斜、(b)d z長度補償、(c)d z長度補償後、(d)踝關節補償、(e)踝關節補償後、(f)理想站姿 20 圖3.9、單腳ZMP的x軸方向控制示意圖 20 圖3.10、ZMP校正之積分控制器 21 圖3.11、單腳ZMP的y軸方向控制示意圖 21 圖3.12、雙腳ZMP控制示意圖 22 圖3.13、步態系統架構圖 23 圖3.14、人形機器人腰部及雙腳示意圖 24 圖3.15、機器人上階梯行走示意圖 26 圖3.16、CPG函式產生的上階梯步態波形圖 29 圖3.17、機器人下階梯行走示意圖 30 圖3.18、CPG函式產生的下階梯步態波形圖 34 圖4.1、人形機器人阻抗控制之系統架構圖 36 圖4.2、人形機器人阻抗控制之系統方塊圖 36 圖4.3、六軸力量感測器回授圖 37 圖4.4、頻域分析圖 38 圖4.5、力量感測器Z軸訊號之原始訊號與濾波後訊號比較圖 38 圖4.6、位置阻抗控制器之物理模型示意圖 39 圖4.7、質量係數改變比較圖 41 圖4.8、阻尼係數改變比較圖 41 圖4.9、彈簧係數改變比較圖 42 圖4.10、角度阻抗控制器之物理模型示意圖 44 圖4.11、轉動慣量改變比較圖 46 圖4.12、黏制係數改變比較圖 46 圖4.13、彈簧係數改變比較圖 47 圖5.1、傾斜校正之前後傾斜校正圖(最終誤差為±0.2°) 50 圖5.2、傾斜校正之左右傾斜校正圖(最終誤差為±0.2°) 50 圖5.3、ZMP校正之單腳前後方向校正圖(最終誤差為±2.5mm) 51 圖5.4、ZMP校正之單腳左右方向校正圖(最終誤差為±2.5mm) 51 圖5.5、ZMP校正之雙腳前後方向校正圖(最終誤差為±2.5mm) 52 圖5.6、ZMP校正之雙腳左右方向校正圖(最終誤差為±2.5mm) 52 圖5.7、測試樓梯規格圖及實際圖(單位:公分) 53 圖5.8、原始波形圖 54 圖5.9、實際行走波形圖 54 圖5.10、上階梯行走過程(側視全身): 55 (a)靜止、(b)重心移至左腳、(c)右腳抬至設定高度、(d)右腳踏至階梯、 55 (e)重心移至右前方、(f)抬起左腳、(g)左腳收腳、(h)雙腳伸回後結束 55 圖5.11、上階梯行走過程(側視膝關節及踝關節): 56 (a)靜止、(b)重心移至左腳、(c)右腳抬至設定高度、(d)右腳踏至階梯、 56 (e)重心移至右前方、(f)抬起左腳、(g)左腳收腳、(h)雙腳伸回後結束 56 圖5.12、上階梯行走過程(後視膝關節及踝關節): 56 (a)靜止、(b)重心移至左腳、(c)右腳抬至設定高度、(d)右腳踏至階梯、 56 (e)重心移至右前方、(f)抬起左腳、(g)左腳收腳、(h)雙腳伸回後結束 56 圖5.13、實際行走波形圖 57 圖5.14、下階梯行走過程(側視全身): 58 (a)靜止、(b)蹲下、(c)重心移至左腳、(d)右腳抬高、(e)右腳伸至設定位置、(f)重心移至右前方、(g)左腳收腳、(h)左腳伸回重心回復後結束 58 圖5.15、下階梯行走過程(側視膝關節及踝關節): 58 (a)靜止、(b)蹲下、(c)重心移至左腳、(d)右腳抬高、(e)右腳伸至設定位置、(f)重心移至右前方、(g)左腳收腳、(h)左腳伸回重心回復後結束 58 圖5.16、下階梯行走過程(正視膝關節及踝關節): 59 (a)靜止、(b)蹲下、(c)重心移至左腳、(d)右腳抬高、(e)右腳伸至設定位置、(f)重心移至右前方、(g)左腳收腳、(h)左腳伸回重心回復後結束 59 圖5.17、位置阻抗控制功能測試(正面) 59 (a)吊掛機器人、(b)將機器人放下、(c)微蹲減少衝擊力、(d)回復站立 59 圖5.18、位置阻抗控制功能測試(側面) 60 (a)吊掛機器人、(b)將機器人放下、(c)微蹲減少衝擊力、(d)回復站立 60 圖5.19、位置阻抗控制實現於下階梯步態(側視全身) 60 (a)右腳伸至設定位置、(b)右腳落地、(c)進行微蹲、(d)接續下階梯動作 60 圖5.20、位置阻抗控制實現於下階梯步態(側視膝關節及踝關節) 61 (a)右腳伸至設定位置、(b)右腳落地、(c)進行微蹲、(d)接續下階梯動作 61 圖5.21、位置阻抗控制實現於下階梯步態(正視膝關節及踝關節) 61 (a)右腳伸至設定位置、(b)右腳落地、(c)進行微蹲、(d)接續下階梯動作 61 圖5.22、位置阻抗控制之力量回授比較圖(a)無使用(b)有使用 61 圖5.23、有無阻抗控制機器人整體比較圖(a)無阻抗控制、(b)有阻抗控制 62 圖5.24、有無阻抗控制機器人局部比較圖(a)無阻抗控制、(b)有阻抗控制 62 圖5.25、障礙物高度 63 圖5.26、pitch軸角度阻抗控制實現於上階梯(側視全身) 63 (a)右腳落地前、(b)右腳調整踝關節pitch軸、(c)接續上階梯動作 63 圖5.27、pitch軸角度阻抗控制實現於上階梯(側視膝關節及踝關節) 64 (a)右腳落地前、(b)右腳調整踝關節pitch軸、(c)接續上階梯動作 64 圖5.28、pitch軸角度阻抗控制之力量回授比較圖(a)無使用(b)有使用 64 圖5.29、有無阻抗控制機器人整體比較圖(a)無阻抗控制、(b)有阻抗控制 65 圖5.30、有無阻抗控制機器人局部比較圖(a)無阻抗控制、(b)有阻抗控制 65 圖5.31、障礙物高度 66 圖5.32、roll軸角度阻抗控制實現於上階梯(側視全身) 66 (a)右腳落地前、(b)右腳調整踝關節roll軸、(c)接續上階梯動作 66 圖5.33、roll軸角度阻抗控制實現於上階梯(後視膝關節及踝關節) 66 (a)右腳落地前、(b)右腳調整踝關節roll軸、(c)接續上階梯動作 66 圖5.34、roll軸角度阻抗控制之力量回授比較圖(a)無使用(b)有使用 67 表目錄 表2.1、馬達規格 8 表2.2、工業電腦規格 9 表2.3、六軸力量感測器規格表 11 表4.1、位置阻抗控制系統參數調整順序表 43 表4.2、角度阻抗控制系統參數調整順序表 48 |
參考文獻 |
[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, pp. 1-12, May, 2013. [4] C.L. Fu and K. Chen, “Gait Synthesis and Sensory Control of Stair Climbing for a Humanoid Robot,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no 5, pp. 2111-2120, 2008. [5] C.L. Shih, “Ascending and Descending Stairs for a Biped Robot,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics –Part A : Systems and Humans, vol. 29, no. 3, pp. 255-268, May 1999. [6] O. Kwon, K.S. Jeon, and J. Hyeon, “Optimal Trajectory Generation for Biped Robots Walking Up-and-Down Stairs,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 20, no. 5, pp. 612-620, 2006. [7] S. Hyon and T. Emura, “Symmetric walking control: Invariance and global stability,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, 2005, pp. 1456–1462. [8] M. Doi, Y. Hsegawa, and T. Fukuda, “Passive trajectory control of the lateral motion in bipedal walking,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 3, New Orleans, LA, Apr. 26–May 1, 2004, pp. 3049–3054. [9] E.R. Westervelt, G. Buche, and J.W. Grizzle, “Experimental validation of a framework for the design of controllers that induce stable walking in planar bipeds,” The International Journal of Robotics Research, vol. 23, no. 6, 2004, pp. 559–582. [10] M. Hopkins, R. Griffin, A. Leonessa, B. Lattimer, and T. Furukawa, “Design of a Compliant Bipedal Walking Controller for The DARPA Robotics Challenge,” 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots, pp. 831-837, Nov. 2015. [11] S.H. Hyon, “Compliant Terrain Adaptation for Biped Humanoids without Measuring Ground Surface and Contact Forces,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 25, no. 1, pp. 171–178, 2009. [12] T. Zhang, S. Caron, and Y. Nakamura, “Supervoxel Plane Segmentation and Multi-Contact Motion Generation for Humanoid Stair Climbing,” 2016 International Journal of Humanoid Robotics, vol. 13, No. 4, 2016. [13] W. Xu, R. Xiong, and J. Wu, “Force/torque-based Compliance Control for Humanoid Robot to Compensate the Landing Impact Force,” 2010 First International Conference on Networking and Distributed Computing, pp. 336-340 , 2010. [14] Z. Li, N.G. Tsagarakis, and D.G. Caldwell. “Walking Trajectory Generation for Humanoid Robots with Compliant Joints: Experimentation with Coman Jumanoid,” 2012 IEEE International Conference on Advanced Robotics, pp. 836 – 841, 2012. [15] 游翔麟,基於模糊力量感測之六軸機械手臂的直覺式教導,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2015。 [16] 陳仁杰,基於模糊力量控制之六自由度機械手臂的順應性控制,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2017。 [17] N. Hogan, “Impedance control: An approach to manipulation. part I: theory, part II: implementation, part III: application,” Transaction of ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol.107, pp. 1 -23, 1985. [18] 許傑巽,一種機械手臂順應性控制與安全設計,國立交通大學電控工程研究所碩士論文(指導教授 :宋開泰、羅佩禎),2010。 [19] 劉智誠,小型人形機器人之即時行走的SOPC設計與實現,淡江大學電機工程學系博士論文(指導教授:翁慶昌),2014 。 [20] 周致學,大型雙足機器人之外力干擾回復平衡控制,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:李祖添),2017。 |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信