淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


系統識別號 U0002-2707202022434000
中文論文名稱 基於線性倒單擺模型之人形機器人的行走平衡
英文論文名稱 Walking Balance for Humanoid Robots based on Linear Inverted Pendulum Model
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系機器人工程碩士班
系所名稱(英) Master’s Program In Robotics Engineering, Department Of Electrical And Computer Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 王友志
研究生英文姓名 Yu-Chih Wang
學號 607470159
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-29
論文頁數 53頁
口試委員 指導教授-劉智誠
委員-李世安
委員-楊玉婷
中文關鍵字 線性倒單擺模型  人形機器人  雙足行走  零力矩點 
英文關鍵字 Linear Inverted Pendulum Model(LIPM)  Humanoid Robot  Biped Waling  Zero Moment Point(ZMP) 
學科別分類
中文摘要 本論文基於線性倒單擺模型設計人形機器人的雙足行走步態,首先透過線性倒單擺模型建立行走軌跡產生器,用以實現機器人雙足行走之功能,以及減少機器人行走步態參數設定上的難度。接著利用感測器建立回授系統,感知機器人行走時的狀態,其中姿態感測器量測機器人身體的傾斜角度與壓力感測器計算機器人的零力矩點(ZMP)。最後透過回授系統所感知的機器人狀態建立行走平衡穩定器,分別針對機器人身體的姿態與踏步位置進行控制,使機器人在行走期間達到自身的平衡。由實驗結果得知,本論文所設計之方法完成雙足行走之功能並降低行走步態參數設定上的困難,並且有效提升行走的穩定度。
英文摘要 In this thesis, a biped walking gait of humanoid robot based on linear inverted pendulum model is designed. First, a walking trajectory generator is established by linear inverted pendulum model to realize biped walking of robot, and reduce the difficulty in setting walking gait parameters. Then, feedback system is built by sensors to sense the state of the walking robot. Inertial measurement unit measures the tilt angle of robot, and force sensing resistor calculate the zero moment point (ZMP) of robot. Finally, a walking balance stabilizer is generated by the state of the walking robot from feedback system. Controlling posture of robot and step position respectively, so that robot achieves its own balance during walking. Some experimental results are presented to illustrate that the proposed method not only completes biped walking function and reduces the difficulty in setting walking gait parameters but also improves the stability of walking effectively.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
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 2
第二章 人形機器人系統規格介紹 4
2.1 前言 4
2.2 人形機器人機構介紹 5
2.3 人形機器人硬體系統介紹 8
2.3.1 工業電腦(IPC) 8
2.3.2 SoC FPGA 9
2.3.3 慣性量測單元(IMU) 10
2.3.4 壓力感測器(FSR) 11
第三章 人形機器人系統模組設計 12
3.1 前言 12
3.2 FPGA與HPS協同設計 13
3.3 逆運動學 15
第四章 行走軌跡產生器 17
4.1 前言 17
4.2 ZMP軌跡 17
4.3 線性倒單擺模型 21
4.4 質心軌跡 23
4.5 雙足軌跡 25
第五章 行走平衡穩定器 34
5.1 前言 34
5.2 巴特沃斯濾波器 34
5.3 姿態估測之平衡 37
5.4 零力矩點之平衡 38
5.5 實驗結果 43
第六章 結論與未來展望 51
6.1 結論 51
6.2 未來展望 51
參考文獻 52

圖目錄
圖2.1、第十一代小型人形機器人全身圖 4
圖2.2、第十一代小型人形機器人尺寸圖 7
圖2.3、自由度配置圖 7
圖2.4、IPC實體圖 8
圖2.5、SoC FPGA發展板實體圖 9
圖2.6、IMU實體圖 10
圖2.7、FSR實體圖 11
圖3.1、AXI Bridge方塊圖 13
圖3.2、SoC FPGA系統方塊圖 14
圖3.3、人形機器人之雙腳座標軸示意圖:(a)正視和(b)側視 15
圖4.1、支撐腳多邊形:(a)單支撐階段和(b)雙支撐階段 18
圖4.2、雙足行走之單支撐階段與雙支撐階段示意圖 18
圖4.3、行走參考之踏步位置 19
圖4.4、行走參考軌跡:(a)側視與(b)正視 20
圖4.5、二維線性倒單擺模型 21
圖4.6、LIPM平衡 23
圖4.7、機器人行走之側視圖 23
圖4.8、基於單支撐階段ZMP位置之質心軌跡: (a)側視與(b)正視 25
圖4.9、雙足軌跡:(a)x軸、(b)y軸與(c)z軸 28
圖4.10、雙足行走之x方向的雙足軌跡 29
圖4.11、雙足行走之y方向的雙足軌跡 29
圖4.12、雙足行走之z方向的雙足軌跡 30
圖4.13、行走軌跡產生器之ZMP軌跡、質心軌跡以及雙足軌跡 31
圖4.14、x軸方向的雙足軌跡:(a)笛卡爾座標系和(b)雙腿座標系 32
圖4.15、y軸方向的雙足軌跡:(a)笛卡爾座標系和(b)雙腿座標系 32
圖4.16、z軸方向的雙足軌跡:(a)笛卡爾座標系和(b)雙腿座標系 33
圖5.1、快速傅立葉訊號分析:(a)原始訊號和(b)頻率分析 35
圖5.2、IMU roll軸速度之濾波前後比較圖:(a)原始訊號和(b)濾波後訊號 36
圖5.3、機器人上半身的傾斜角度示意圖:(a)pitch軸角度θpitch與(b)roll軸角度θroll 37
圖5.4、姿態估測之平衡架構圖 38
圖5.5、人形機器人之雙腳座標系示意圖 39
圖5.6、x軸零力矩點之平衡示意圖 40
圖5.7、x軸線性倒單擺模型平衡示意圖 41
圖5.8、y軸零力矩點之平衡示意圖 41
圖5.9、y軸線性倒單擺模型平衡示意圖 42
圖5.10、零力矩點之平衡架構圖 43
圖5.11、人形機器人行走失敗之上半身姿態:(a)θpitch與(b)θroll 44
圖5.12、人形機器人行走失敗之ZMP:(a)x軸和(b)y軸 45
圖5.13、未使用行走平衡穩定器之機器人上半身的傾斜角度:(a)θpitch與(b)θroll 46
圖5.14、未使用行走平衡穩定器之ZMP:(a)x軸和(b)y軸 46
圖5.15、未使用行走平衡穩定器之行走側視圖 47
圖5.16、未使用行走平衡穩定器之行走正視圖 47
圖5.17、使用行走平衡穩定器之機器人上半身的傾斜角度:(a)θpitch與(b)θroll 49
圖5.18、使用行走平衡穩定器之ZMP:(a)x軸和(b)y軸 49
圖5.19、使用行走平衡穩定器之行走側視圖 50
圖5.20、使用行走平衡穩定器之行走正視圖 50

表目錄
表2.1、第十一代小型人形機器人規格表 5
表2.2、XM-430與MX-64馬達比較 6
表2.3、IPC規格表 8
表2.4、SoC FPGA發展板規格表 9
表2.5、IMU規格表 10
表2.6、FSR規格表 11
表5.1、在草地上開啟行走平衡穩定器的成功率比較 43

參考文獻 [1] S. Kajita, F. Kanehiro, K. Kaneko, K. Yokoi, and H. Hirukawa, “The 3D linear inverted pendulum mode: A simple modeling for a biped walking pattern generation,” IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robot. Syst. (IROS), Maui, United States, Nov. 2001, pp. 239–246.
[2] S. Kajita et al., “Biped walking pattern generation by using preview control of zero-moment point,” IEEE Int. Conf. Robot. Autom. (ICRA), Taipei, Taiwan, Sept. 2003, pp. 1620–1626.
[3] M. Kim, D. Lim, and J. Park, “Online walking pattern generation for humanoid robot with compliant motion control,” IEEE Int. Conf. Robot. Autom. (ICRA), Montreal, Canada, May. 2019, pp. 1417–1422.
[4] M. Vukobratovi’c and B. Borovac, “Zero-moment point-Thirty five years of its life,” Int. J. Humanoid Robot., vol. 1, no. 1, 2004, pp. 157–173.
[5] Y.-H. Chang, Y. Oh, D. Kim, and S. Hong, “Balance control in whole body coordination framework for biped humanoid robot MAHRU-R,” RO-MAN 2008 - The 17th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, Munich, Germany, 2008, pp. 401-406.
[6] A. Ortíz, and J. Ibarra, “Walk stability control for position-controlled servo actuated humanoid robot,” 2019 16th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), Mexico City, Mexico, 2019, pp. 1-6.
[7] T.H.S. Li, Y.T. Su, S.H. Liu, J.J. Hu, and C.C. Chen, “Dynamic balance control for biped robot walking using sensor fusion Kalman filter and fuzzy logic,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 11, 2012, pp. 4394–4408.
[8] 蕭聖儒,人形機器人之即時自然行走軌跡產生器的設計與實現,淡江電機工程學系博士論文,2019。(指導老師:翁慶昌)
[9] K. Erbatur and O. Kurt, “Natural ZMP trajectories for biped robot reference generation,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 3, Mar. 2009, pp. 835-845.
[10] M. Missura, M. Bennewitz, and S. Behnke, “Capture steps: robust walking for humanoid robots,” International Journal of Humanoid Robotics (IJHR), vol. 16, no. 6, Dec. 2019, article number 1950032.
[11] J. Lin, K. Hwang, W. Jiang, and Y. Chen, “Gait balance and acceleration of a biped robot based on Q-Learning,” IEEE Access, vol. 4, 2016, pp. 2439-2449.
[12] T. Sato, H. Ono, and K. Ohnishi, “Gyroscope integrated environmental mode compliance control for biped robot,” 2012 12th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control (AMC), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 2012, pp. 1-6.
[13] 王彥翔,小型人形機器人之多感測器步態平衡系統,淡江電機工程學系碩士論文,2015。(指導老師:許駿飛)
[14] K. Choi, H. Lee, and M. C. Lee, “Fuzzy posture control for biped walking robot based on force sensor for ZMP,” 2006 SICE-ICASE International Joint Conference, Busan, 2006, pp. 1185-1189.
[15] S.Y. Chiang, J.L. Wang, and J.W. Lu, “Posture control for humanoid Robot balance on uneven ground and slopes using inertial sensors,” National Conference on Fuzzy Theory & Its Applications (iFUZZY), Taipei, Taiwan, Nov. 7-10. 2019, pp. 71-75.
[16] J.Y. Kim, I.W. Park, and J.H. Oh, “Walking control algorithm of biped humanoid robot on uneven and inclined floor,” J. Intell. Robot. Syst., vol. 48, no. 4, 2007, pp. 457–484.
[17] ROBOTIS, URL: http://www.robotis.us/
[18] TERASIC, URL: https://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=Taiwan&No=1047
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2025-08-01公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2025-08-01起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2486 或 來信