本論文著重於設計大型雙足機器人之腳掌機構與平衡控制。在腳掌機構設計中，機構重量限制在1公斤以下並利用壓縮量小的波形彈簧作為緩衝材料，且裝置力量感測器作為站立平衡控制器之輸入。在平衡控制設計中，將力量感測器之數值透過卡爾曼濾波器(Kalman Filter)後，計算機器人站立時的零力矩點(ZMP)，將ZMP傳入模糊控制器，當ZMP位置偏離預定的平衡點時，馬達會將上方機構轉向反方向的位置，由此可驗證平衡控制可用來計算雙足機器人需偏移的角度以保持平衡。最後，經由大型雙足機器人平穩站立與腰部晃動的實際實驗可知，ZMP位置皆在預期的範圍內，因此本論文設計的機器人之腳掌機構與感測器配合模糊控制器可達成預期的功能。

In this thesis, a feet mechanism design and a standing balance control are proposed for an adult-sized biped robot. In feet mechanism design, the feet mechanism total weight is below 1 kg. A wave spring is used to reduce spring height as a cushioning material, and some force sensors are used to measure position of forces movement. In balance control, Kalman filter is utilized to determine the zero moment point (ZMP) in standing for robot and the ZMP is used to be an input variable of a controller. When the ZMP deviates from a desired position, the motor rotates the mechanism to a balance posture. The developed balance control system can calculate a required offset angle of biped robot to maintain balance. Finally, some experimental results are presented for the adult-sized biped robot via standing stable and moving waist. The ZMP position can be controlled within the expected range. Thus, the proposed feet mechanism and standing balance controller with sensors can efficiently control to balance in standing maintenance of the adult-sized biped robot.

目錄
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	1
 1.3、論文架構	2
 第二章、大型雙足機器人系統介紹	3
 2.1、大型雙足機器人設計介紹	5
 2.1.1、大型雙足機器人機構	6
 2.1.2、大型雙足機器人自由度	7
 2.2、大型雙足機器人開發板介紹	8
 2.2.1主控層介紹-工業電腦	9
 2.2.2管理層介紹-FPGA	10
 2.2.3感測層介紹-微控制器	11
2.3、大型雙足機器人馬達控制板與電源規畫介紹	13
 第三章、腳掌機構設計	16
 3.1、腳掌設計與規格	17
 3.1.1、腳掌彈簧設計與緩衝	22
 3.2、腳掌機構總結	24
 第四章、腳掌系統設計	27
 4.1、主控層設計-工業電腦	28
 4.1.1、腳掌ZMP設計	28
 4.2、管理層設計-FPGA	31
 4.2.1、管理層封包管理	32
 4.3、感測層設計-微控制器	33
 4.3.1、平均法濾波器	34
 4.3.2、卡爾曼濾波器	35
 第五章、實驗結果	38
 5.1、單腳平衡實驗	38
 5.2、靜態實驗	44
 5.3、動態實驗	45
 第六章、結論與未來展望	46
 參考文獻	47
 
圖目錄
圖2.1、第0代機器人正視、側視與比例圖(左至右)	4
圖2.2、第1代機器人正視、側視與比例圖(左至右)	4
圖2.3、大型雙足機器人尺寸，單位: mm	5
圖2.4、本論文與其他機器人自由度比較圖	7
圖2.5、系統整合圖層	8
圖2.6、工業電腦實體圖	9
圖2.7、H3C120-V6開發板	10
圖2.8、MSP430G2553 Launchpad	11
圖2.9、MSP430G2553 控制系統方塊圖	11
圖2.10、力量感測器校正示意圖	13
圖2.11、驅動器模板參考	14
圖2.12、HIWIN Board馬達驅動板	14
圖2.13、大型雙足機器人電池與電容	15
圖3.1、動態與靜態量測簡化圖	16
圖3.2、THOR-OP正視圖與側視圖	17
圖3.3、V1.1版腳掌設計	17
圖3.4、V1.1版剖面圖	17
圖3.5、V1.2版剖面圖	18
圖3.6、水平儀與形變彈簧	18
圖3.7、V1.2版改良剖面圖	19
圖3.8、無調整與調整後比較差異圖	20
圖3.9、V1.3版剖面圖	21
圖3.10、腳掌裝置於大型雙足機器人	21
圖3.11、機器人站立的作用力與反作用力	22
圖3.12、波形彈簧與圓線彈簧比較圖	23
圖4.1、腳掌系統架構圖	27
圖4.2、單腳零力矩點計算	28
圖4.3、雙腳座標圖	29
圖4.4、管理層模組圖	31
圖4.5、感測層模組圖	33
圖4.6、單腳力量感測器有無校正與濾波情況	37
圖4.7、機器人站立、前傾與後傾動作	37
圖5.1、上半身模組平台	38
圖5.2、模糊歸屬函數圖	40
圖5.3、腳掌測試五種測試方式	42
 
表目錄
表2.1、Maxon直流無刷馬達 429271	3
表2.2、Harmonic Drive諧和式減速機 CSD-2UF	4
表2.3、各代大型雙足機器人比較表	6
表2.4、MIO2261規格表	9
表2.5、H3C120-V6規格表	10
表2.6、A201-100lbs-2詳細規格表	12
表2.7、A301-100lbs詳細規格表	12
表2.8、HIWIN Board馬達驅動板規格表	14
表2.9、各鋰電池與超級電容詳細規格表	15
表3.1、波形彈簧與圓線彈簧比較表	23
表3.2、各版本腳掌規格表	25
表4.1、感測層封包格式	32
表5.1、pitch軸模糊控制器之模糊規則庫	41
表5.2、pitch軸模糊控制器之模糊規則庫	41
表5.3、五種上半身測試方式表	43
表5.4、靜態測試-校正前之ZMP移動	44
表5.5、靜態測試-校正後之ZMP移動	44
表5.6、動態測試-校正前之ZMP移動	45
表5.7、動態測試-校正後之ZMP移動	45

參考文獻
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