本論文設計了一台全方位移動式平衡機器人，以機器人設計將其分為移動平台與手臂平台兩大部份，移動平台是將四顆麥克納姆輪以共線式排列在底盤下方，這樣獨特的設計方式可以使機器人具備全方位移動能力及動態平衡的能力，另外，手臂平台設計提供讓機器人可以執行夾取與運送物品等任務的能力，共使用了四顆A1-16智慧型伺服馬達，並且安裝於機器人上方位置。在控制器設計方面，本論文結合PID控制與多迴路回授控制架構提出速度運動控制系統，透過遙控或使用者設定，來控制機器人移動速度，同時在移動過程中可以持續地保持平衡。接著，因為機器手臂的姿態改變，對於機器人移動與平衡有非常大的干擾，因此本論文利用模糊控制設計重心控制器來改善速度運動控制系統，以降低機器手臂產生的力矩對機器人平衡造成影響。接著，提出具軌跡規劃之位置控制系統，其中軌跡規劃運用了多項式軌跡規劃演算法，解決位置軌跡的不連續性問題，避免產生過大的加速度行為造成機器人翻覆。最後，本論文使用STM32F103微控制器搭配一些周邊電路模組與感測器模組，實際硬體實現所提出之數種控制法則，並將實驗數據透過藍芽模組傳送至電腦端，將數據圖形化以方便觀察。經由實際實驗結果顯示，本論文所提出設計之方位移動式平衡機器人具備不錯的自平衡控制效果及全方位移動能力。

This thesis aims to design an omnidirectional balancing mobile robot, which consists of two main parts: the mobile platform and the manipulator. The mobile platform utilizes a collinear arrangement of four Mecanum wheels under the chassis so that the robot can have omnidirectional movement and dynamic balance abilities, and the manipulator is equipped with four A1-16 servo motors in the upper position of the robot to pick up and transport items. For the controller design, a speed motion control system is proposed via multi-loop feedback control approach so that the velocity of the robot can be set up either by remote control or user’s commands. It should be emphasized that the controller not only can control the robot movement but also can keep the robot balanced. In addition, the robot’s center of gravity will be changed when the manipulator posture changes. This will affect the robot’s movement and balance responses. To reduce the impact of the change of the center of gravity on the robot, this thesis proposes a gravity compensator based on the fuzzy control approach. Then, a position motion control system with polynomial trajectory planning algorithm is proposed, which allows the robot to move more smoothly and avoids the occurrence of robot overturning. Finally, the STM32F103 microcontroller with a posture sensor is applied to implement the proposed control system. The experimental results show that the proposed omnidirectional balancing mobile robot can achieve has good self-balancing control response and omnidirectional mobility.

致謝  I
摘要  II
ABSTRACT  IV
目錄  VI
圖目錄 VIII
表目錄  XII
第一章 導論1
1.1 前言1
1.2 文獻探討4
1.3 論文結構7
第二章 硬體設計8
2.1 機構設計8
2.2 硬體介紹11
2.2.1 STM32F103實驗板介紹12
2.2.2 姿態感測器15
2.2.3 直流馬達介紹17
2.2.4 馬達驅動器介紹19
2.2.5 PS2介紹22
2.2.6 A1-16智慧型伺服馬達介紹26
2.3 系統整合與軟體規劃28
第三章 運動學與軌跡規劃32
3.1 底盤運動學分析32
3.2 機器人重心分析39
3.3 軌跡規劃43
第四章 運動控制設計49
4.1 速度運動控制設計49
4.2 改良型速度運動控制設計61
4.3 位置運動控制器69
4.4 具軌跡規劃之位置控制設計80
4.5 遠端操作控制設計91
第五章 結論與未來研究95
5.1 結論95
5.2 未來研究96
參考文獻97
著作目錄103
 
圖目錄
圖 1.1、(a) MR10S。(b) 蔡清池教授等人提出。(c) youBot。2
圖 1.2、(a)Handle Robot。(b)BionicSoftHand 2.0。3
圖 1.3、Fareh學者等人提出。5
圖 1.4、Röhrig學者等人提出。5
圖 1.5、李摯睿等人提出。5
圖 1.6、蔡岳軒等人提出。5
圖 1.7、Zhao學者等人提出。6
圖 1.8、Nagarajan學者等人提出。6
圖 1.9、Saul學者等人提出。7
圖 1.10、Watson學者等人提出。7
圖 2.1、全方位移動式平衡機器人。8
圖 2.2、機器人機構設計圖(a)側面圖(b)正面圖。10
圖 2.3、機器人硬體架構圖。11
圖 2.4、STM32F103實驗板。13
圖 2.5、SWD接口介面腳位圖(a)ST-LINK(b)實驗板上。13
圖 2.6、µVision IDE開發環境。14
圖 2.7、MPU6050姿態感測器坐標軸示意圖。15
圖 2.8、繞X軸方向旋轉之實驗結果。17
圖 2.9、繞Y軸方向旋轉之實驗結果。17
圖 2.10、直流馬達 (a)馬達與編碼器(b)接腳定義。18
圖 2.11、馬達編碼器實驗結果圖。19
圖 2.12、A4950馬達驅動模組之電路。21
圖 2.13、A4950馬達驅動模組實驗結果圖。21
圖 2.14、PS2模組(a)PS2搖桿(b)PS2接收器。22
圖 2.15、PS2與控制板通訊的時序圖。23
圖 2.16、PS2搖桿的類比搖桿對照圖。24
圖 2.17、類比模式下測試實驗結果圖。25
圖 2.18、數位模式下測試實驗結果圖。25
圖 2.19、A1-16智慧型伺服馬達。26
圖 2.20、單顆馬達測試之實驗結果圖。27
圖 2.21、多顆馬達測試之實驗結果圖。27
圖 2.22、系統整合硬體規劃架構圖。29
圖 2.23、軟體流程圖。31
圖 3.1、移動平台座標系統示意圖(a)側視圖(b)俯視圖。33
圖 3.2、麥輪A示意圖。34
圖 3.3、四個自由度的機械手臂。39
圖 3.4、機器手臂坐標系示意圖。39
圖 3.5、重心變化模擬圖。42
圖 3.6、場景一之模擬結果圖。45
圖 3.7、場景二之模擬結果圖。46
圖 3.8、限制條件下場景一之模擬結果圖。48
圖 3.9、限制條件下場景二之模擬結果圖。48
圖 4.1、PID速度型控制器方塊圖。52
圖 4.2、速度運動控制器實驗場景一之測試影片分鏡。53
圖 4.3、速度運動控制器實驗場景一之控制響應圖。54
圖 4.4、速度運動控制器實驗場景二之測試影片分鏡。55
圖 4.5、速度運動控制器實驗場景二之控制響應圖。56
圖 4.6、側移控制器實驗場景之測試影片分鏡。57
圖 4.7、側移控制器實驗場景之控制響應圖。58
圖 4.8、轉向控制器實驗場景之測試影片分鏡。59
圖 4.9、轉向控制器實驗場景之控制響應圖。60
圖 4.10、改良型速度運動控制方塊圖。62
圖 4.11、傾倒力矩之歸屬函數。62
圖 4.12、沒有使用重心控制器之測試影片分鏡。65
圖 4.13、沒有使用重心控制器之控制響應圖。66
圖 4.14、有使用重心控制器之測試影片分鏡。67
圖 4.15、有使用重心控制器之控制響應圖。68
圖 4.16、PID位置型控制器方塊圖。70
圖 4.17、位置運動控制器實驗場景一之測試影片分鏡。71
圖 4.18、位置運動控制器實驗場景一之控制響應圖。72
圖 4.19、位置運動控制器實驗場景二之測試影片分鏡。73
圖 4.20、位置運動控制器實驗場景二之控制響應圖。74
圖 4.21、位置運動控制器實驗場景三之測試影片分鏡。75
圖 4.22、位置運動控制器實驗場景三之控制響應圖。76
圖 4.23、位置運動控制器實驗場景三之機器人之Z軸角度響應圖。77
圖 4.24、位置運動控制器實驗場景之四測試影片分鏡。78
圖 4.25、位置運動控制器實驗場景之四控制響應圖。79
圖 4.26、具軌跡規劃之位置控制系統方塊圖。81
圖 4.27、動作編輯器結果圖。83
圖 4.28、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景一之測試影片分鏡。	85
圖 4.29、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景一之控制響應圖。86
圖 4.30、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景二之測試影片分鏡。	87
圖 4.31、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景二之控制響應圖。88
圖 4.32、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景三之測試影片分鏡。89
圖 4.33、具軌跡規劃之位置運動控制器實驗場景三之控制響應圖。90
圖 4.34、PS2搖桿操作示意圖(a)左側搖桿(b)右側搖桿。91
圖 4.35、遠端操作控制實驗結果。92
圖 4.36、PS2遙控實驗場景之實驗場地(a)場地規格(b)實際場地。93
圖 4.37、PS2遙控實驗場景之PS2測試影片分鏡。94

表目錄
表 2.1、全方位移動式平衡機器人詳細規格表。9
表 2.2、A4950馬達驅動模組輸入輸出對照表。20
表 2.3、PS2 搖桿按鈕對應數值表。24
表 3.1、符號定義說明表。33
表 3.2、四顆麥輪的轉動方向與機身移動方向關係表。38
表 3.3、機器手臂D-H參數。39
表 3.4、五階多項式的參數定義表。44
表 4.1、模糊重心控制器之模糊規則庫。63
表 4.2、手臂姿態動作對照表。64

[1]林其禹、郭重顯、邱士軒、李敏凡、范欽雄、林柏慎，智慧型機器人原理與應用，新北市：高立圖書，2013。
[2]Grenzebach,“Grenzebach_Datasheet_Mobile_Robot_MR10S_en,”
Available:https://www.chenlux.com/wp-content/uploads/Grenzebach_Datasheet_Mobile_Robot_MR10S_en.pdf
[3]H. Huang and C. Tsai, "FPGA Implementation of an Embedded Robust Adaptive Controller for Autonomous Omnidirectional Mobile Platform," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 5, pp. 1604-1616, May 2009.
[4]C. Tsai, H. Huang and S. Lin, "FPGA-Based Parallel DNA Algorithm for Optimal Configurations of an Omnidirectional Mobile Service Robot Performing Fire Extinguishment," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 3, pp. 1016-1026, March 2011.
[5]KUKA, “KUKA Education: know-how for the future” 
Available:https://www.kuka.com/en-de/products/robot-systems/kuka-education 
[6]bostondynamics, “LEGACY ROBOTS”
Available: https://www.bostondynamics.com/legacy
[7]festo, “BionicMobileAssistant” 
Available: https://www.festo.com/tw/zh/e/about-festo/innovation-and-technology/bionic-learning-network/bionicmobileassistant-id_326923/
[8]R. Fareh and T. Rabie, "Tracking Trajectory For Nonholonomic Mobile Manipulator Using Distributed Control Strategy," 2015 10th International Symposium on Mechatronics and its Applications, pp. 1-6, 2015. 
[9]C. Röhrig, D. Heß and F. Künemund, "Motion Controller Design For a Mecanum Wheeled Mobile Manipulator," 2017 IEEE Conference on Control Technology and Applications, pp. 444-449, 2017.
[10]李摯睿，基於適應性粒子群體最佳化演算法之居家服務型機器人手臂避障與抓取姿態控制之設計與實現，博士論文，國立成功大學電機工程學系，2016。
[11]蔡岳軒，移動平台和機器手臂同動之適應運動控制於移動式機器手臂之應用，碩士論文，國立臺灣大學電機工程學系，2016。
[12]Y. Zhao, C. Woo and J. Lee, "Balancing Control of Mobile Manipulator With Sliding Mode Controller," 2015 15th International Conference on Control, Automation and Systems, pp. 802-805, 2015.
[13]U. Nagarajan, B. Kim and R. Hollis, "Planning in High-Dimensional Shape Space for a Single-Wheeled Balancing Mobile Robot With Arms," 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 130-135, 2012.
[14]C. H. G. Li, L. P. Zhou and Y. -H. Chao, "Self-Balancing Two-Wheeled Robot Featuring Intelligent End-to-End Deep Visual-Steering," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, pp. 1-1, 2020(Early Access).
[15]F. Wang and Z. Wang, "The Development of a Multi-Loop Control Structure for a Two-Wheeled Inverted Pendulum Robot," 2019 6th International Conference on Control, Decision and Information Technologies, pp. 551-556, 2019.
[16]P. Van Lam and Y. Fujimoto, "Two-Wheel Cane for Walking Assistance," 2018 International Power Electronics Conference, pp. 571-574, 2018.
[17]S. K. Kim and C. K. Ahn, "Self-Tuning Position-Tracking Controller for Two-Wheeled Mobile Balancing Robots," IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 66, no. 6, pp. 1008-1012, June 2019.
[18]T. B. Lauwers, G. A. Kantor and R. L. Hollis, "A Dynamically Stable Single-Wheeled Mobile Robot With Inverse Mouse-Ball Drive," 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2884-2889, 2006.
[19]S. K. Kim and C. K. Ahn, "Self-Tuning Position-Tracking Controller for Two-Wheeled Mobile Balancing Robots,"IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 66, no. 6, pp. 1008-1012, June 2019.
[20]C. Cai, J. Lu and Z. Li, "Kinematic Analysis and Control Algorithm for the Ballbot," IEEE Access, vol. 7, pp. 38314-38321, 2019.
[21]I. Lal, M. Nicoară, A. Codrean and L. Buşoniu, "Hardware and Control Design of a Ball Balancing Robot," 2019 IEEE 22nd International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems, pp. 1-6, 2019.
[22]S. Reynolds-Haertle and M. Stilman, “Design and Development of a Dynamically-Balancing Holonomic Robot,” Georgia Institute of Technology, Technical Report, GT-GOLEM-2011-005, 2011.
[23]M. T. Watson, D. T. Gladwin, T. J. Prescott and S. O. Conran, "Design and Control of a Novel omnidirectional Dynamically Balancing Platform for Remote Inspection of Confined and Cluttered Environments," 2018 IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems, pp. 473-478, 2018.
[24]秋葉原電子企業社, “STM32F103 + MPU6050 + 4路A4950直流馬達驅動口 全向輪小車主板 麥輪小車四驅IMU CAN,”Available: https://www.ruten.com.tw/item/show?11091205372999
[25]STMicroelectronics, “Data brief - ST-LINK/V2 - ST-LINK/V2 in-circuit debugger/programmer for STM8 and STM32 microcontrollers, STMicroelectronics” Available:https://www.st.com/resource/en/data_brief/st-link-slsh-v2.pdf
[26]Keil, “MDK Version 5 - Keil”Available:https://www2.keil.com/mdk5
[27]盧明智，感測器應用與線路分析(第三版)，台北市：全華圖書，2008。 
[28]“MPU-6050 Datasheet (PDF) - TDK Electronics,” 2013.
Available:https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1132807/TDK/MPU-6050.html
[29]范家瑋，自平衡慣性輪單擺控制系統設計，碩士論文，淡江大學電機工程學系機器人碩士工程班，2020。
[30]秋葉原電子企業社, “12V 37GB-520直流減速馬達金屬帶碼盤 + 附60MM麥克納姆輪 正反轉 調速 STM32、Arduino開源”
Available: https://www.ruten.com.tw/item/show?21933478731558
[31]STMicroelectronics, “STM32 cross-series timer overview - AN4013 Applicationnote”Available:https://www.st.com/resource/en/application_note/dm00042534-stm32-crossseries-timer-overview-stmicroelectronics.pdf
[32]A. MicroSystems, “A4950 Datasheet (PDF) - Allegro MicroSystems” Available:https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/449232/ALLEGRO/A4950.html 
[33]卡卡南安, “STM32——PS2遥控手柄,” 1 2021。
Available: https://blog.csdn.net/cyj972628089/article/details/112856524?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-baidujs_title-0&spm=1001.2101.3001.4242 
[34]XYZrobot, “A1-16 DATASHEET”Available: https://www.pololu.com/file/0J1212/A1-16_datasheet_20151229.pdf
[35]高偉甫，動態平衡移動機器人設計與實現，博士論文，淡江大學電機工程學系，2019。
[36]C.F. Hsu and W.F. "Kao, Double-loop Fuzzy Motion Control with CoG Supervisor for Two-wheeled Self-balancing Assistant Robots,"
International Journal of Dynamics and Control, vol.8, pp. 851–866 2020.
[37]魏嘉樑，速度限制之點對點運動與輪廓運動軌跡產生法則，碩士論文，國立臺灣大學電機工程學系，2004。
[38]L. X. Wang, A Course in Fuzzy Systems and Control, Prentice-Hall, New Jersey, 1997.