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系統識別號 U0002-2207201011154700
中文論文名稱 應用FPGA為基準之感測器系統於不平坦地面運動之人形機器人的動態平衡
英文論文名稱 Dynamic Balance of a Humanoid Robot on an Uneven Ground by a FPGA-Based Dynamic Sensing System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 林明龍
研究生英文姓名 Ming-Lung Lin
學號 696470086
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-13
論文頁數 62頁
口試委員 指導教授-黃志良
委員-翁慶昌
委員-郭重顯
委員-游文雄
中文關鍵字 人形機器人  動態平衡  加速度計  陀螺儀 
英文關鍵字 Humanoid robot  Dynamic balance  Accelerometer  Gyro  FPGA  Decentralized Control 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 論文將進行小型人形機器人的開發,並探討其於不平坦地面的動態平衡之研究。所應用之小型人形機器人,其高度為58公分,重量為3.5公斤,共有21個自由度,包括雙手的8個自由度、腰部的1個自由度以及雙腳的12個自由度。並在身體中心位置安裝一組三軸加速度計及二組單軸陀螺儀,組合而成的姿態感測器,以量測人形機器人於(不)平坦地面的Pitch 及Roll兩軸的響應,卽時進行動態平衡的控制。
以三軸加速度計量測X、Y及Z軸的重力加速度值,經過計算後可得到人形機器人當時相對於重力方向的傾斜角度,但因加速度計容易受外力干擾造成姿態誤判,必須加上陀螺儀輔助降低姿態誤判的狀況。根據以上的需求,本論文亦將應用Butterworth及Kalman 濾波器改善人形機器人姿態評估的精確性。此外,為了達成動態平衡必須快速獲得感測器資料,避免因各感測器回傳速度不同造成無謂的時間損失,是故本論文將應用FPGA(Field Program Gate Array) 進行各感測器資料接收的任務,藉由FPGA可達到平行處理的優點,並利用SoPC (System on a Programmable Chip)的架構先進行感測器的資料處理,以減少決策端的資料處理量,讓各感測器資料能以最快的速度更新,並使用具有高速鮑率的通訊埠在最短的時間回傳資料至決策端,以進行動態平衡的控制。
在機器人行走的過程中,可區分為單腳支撐(Single Support Phase (SSP))及雙腳支撐(Double Support Phase (DSP)),其動態平衡會有所差異。首先,令機器人於平坦的地面走動,以獲得其中心位置之姿態響應,依據此設計動態平衡控制的參考訊號。所設計的動態平衡策略,會判斷機器人當時處於SSP或DSP狀態,進行不同的動態平衡之對策,以達到有效的平衡,避免因地面不平坦造成機器人跌倒的狀況。最後,將以包括(不)平坦地面及(沒)有啟動態平衡之相關實驗,驗證所建議方法的有效性。
英文摘要 In this thesis, a small size of humanoid robot (HR) is developed such that it can walk on uneven ground with the reduction of falling down. The proposed HR is height of 58 cm, weight of 3.5 kg, and degrees of freedoms (DOFs) of 21, including both hands with 8 DOFs, the waist with one DOF and both feet with 12 DOFs. A posture sensor formed by the combination of a tri-axial accelerometer and two single-axis gyros is installed in the center of gravity of an HR to measure its postures in the pitch and roll directions as it is on (un)even ground. Based on the measured posture, a decentralized balance control is on-line applied to prevent an HR tilt down.
The use of tri-axis accelerometer can measure the acceleration of X, Y and Z axes. After the suitable calculation, the posture of an HR (i.e., the pitch and roll angles with respect to gravitational direction) is obtained. However, accelerometers are vulnerable to external interference caused by system noise. Therefore, two single-axis gyros are added to avoid the inaccurate measurement of the posture of an HR. Because the dynamic balance needs the quick access of sensor data for different sensors to prevent the unnecessary loss of time. Due to the advantages of parallel processing of FPGA, it is employed to receive the sensor data and to send the command for the balance. In addition, the use of SoPC (System on a Programmable Chip) for the processing of the data can reduce the computation time of decentralized balance control. For example, the communication port with high-speed baud rate can speed up the signal transmission for enhancing the effect of dynamic balance.
In general, one period of the walking for an HR possesses single support phase (SSP) and double support phase (DSP). The strategies of dynamic balance for these two phases are different. It must separately discuss. In the beginning, the responses of pitch and roll axes of an HR with a stable walking on an even ground. After appropriate analysis of the corresponding posture, a reference posture for the decentralized balance control of an HR on uneven ground is obtained. Finally, the experiments of an HR on (un)even ground with (or without) balance control are arranged to confirm the effectiveness of the proposed methodology.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
第二章 系統描述與研究任務 4
2.1 系統描述 4
2.1.1 人形機器人伺服機構 4
2.1.2 人形機器人的控制系統 7
2.1.3 加速度計 11
2.1.4 陀螺儀 12
2.2 研究任務 13
第三章 以FPGA為基準之感測器系統 15
3.1 FPGA系統 15
3.2 以FPGA完成SPI通訊介面 17
3.3 感測器模組整合 26
第四章 人形機器人之姿態估測 30
4.1 座標系統 30
4.2 應用感測器於傾斜角之量測 31
4.3 巴特沃斯濾波器 37
4.4 卡爾曼濾波器 38
第五章 動態平衡之修正策略 40
5.1 人形機器人的支撐姿態 40
5.2 各姿態的平衡策略 42
第六章 實驗結果與討論 48
6.1 實驗準備 48
6.2 實驗結果 52
6.2.1 基本行走 52
6.2.2 於大面積不平坦地面及無(或有)平衡控制之行走 54
6.2.3 於大面積不平坦地面、有平衡控制及兩週期之行走 55
第七章 結論與未來之研究 58
7.1 結論 58
7.2 未來之研究 59
第八章 參考文獻 60

圖2.1、人形機器人實際完成圖 5
圖2.2、AX-12伺服馬達 5
圖2.3、RX-28伺服馬達 6
圖2.4、RX-64伺服馬達 6
圖2.5、人形機器人馬達ID對應圖 7
圖2.6、RoBoard RB-100 8
圖2.7、馬達控制訊號整合轉換電路圖 10
圖2.8、人形機器人控制電路實體完成圖 10
圖2.9、電池低壓檢測電路 11
圖2.10、三軸加速度計LIS3LV02DQ 12
圖2.11、單軸陀螺儀MLX90609 12
圖2.12、加速度計與陀螺儀組合圖 13
圖3.1、FPGA核心板-EP2C35 16
圖3.2、SPI觸發時序圖 18
圖3.3、LIS3LV02DQ SPI時序圖 19
圖3.4、MLX90609資料讀取時序圖 20
圖3.5、SPI控制模組 21
圖3.6、SPI通訊模組時序模擬圖 24
圖3.7、LIS3LV02DQ接收任務流程圖 25
圖3.8、加速度計與陀螺儀模組 26
圖3.9、Nios II CPU模組 27
圖3.10、感測器資料整合回傳模組 28
圖3.11、EP2C35內部任務系統方塊圖 29
圖4.1、人形機器人四肢及身體自由度示意圖 30
圖4.2、加速度與傾斜角關係 32
圖4.3、正弦函數加速度/傾斜角關係圖 33
圖4.4、三軸加速度計之加速度與傾斜角關係 33
圖4.5、三軸加速度計進行傾斜角量測簡易測試裝置圖 34
圖4.6、擺動狀態Pitch軸傾斜角計算結果 35
圖4.7、陀螺儀MLX90609旋轉方向定義 36
圖4.8、陀螺儀於靜止狀態之角度飄移示意圖 37
圖4.9、卡爾曼濾波器執行步驟示意圖 38
圖5.1、人形機器人支撐姿態分類 41
圖5.2、雙腳平行支撐修正馬達示意圖 42
圖5.3、雙腳前後支撐修正馬達示意圖 43
圖5.4、左單腳支撐修正馬達示意圖 45
圖5.5、人形機器人動態平衡修正程式流程圖 47
圖6.1、人形機器人人機操作介面 49
圖6.2、機器人行走動作側視圖 50
圖6.3、機器人行走動作前視圖 51
圖6.4、圖6.2或圖6.3行走的Pitch 及Roll兩軸之角度響應 51
圖6.5、於些許平坦地面及無平衡控制之行走實驗 52
圖6.6、於些許不平坦地面及有平衡控制之行走實驗 53
圖6.7、於大面積不平坦地面及無平衡控制之行走實驗 54
圖6.8、於大面積不平坦地面及有平衡控制之行走實驗 55
圖6.9、於大面積不平坦地面、有平衡控制及兩周期運動之行走實驗 56

表2.1、AX-12伺服馬達規格 5
表2.2、RX-28伺服馬達規格 6
表2.3、RX-64伺服馬達規格 6
表2.4、RoBoard RB-100 主要規格 8
表3.1、FPGA核心板-EP2C35主要規格 17
表3.2、SPI控制模組腳位功能 22
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[26] 黃俊豪, “人形機器人的人機介面設計與運動控制之研究”,淡江大學電機系機器人碩士班,民國九十九年六月。
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