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系統識別號 U0002-2708200711002100
中文論文名稱 PC-based控制之人型機器人的同時自我定位與建圖
英文論文名稱 Simultaneous Localization and Mapping for a PC-based Controlled Humanoid Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 蔡鎮全
研究生英文姓名 Jen-Chuan Tsai
學號 694341974
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-20
論文頁數 97頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-李祖聖
委員-張文中
委員-翁慶昌
委員-劉昭華
中文關鍵字 人型機器人  PC-Based控制器  運動學  卡爾曼  自我定位 
英文關鍵字 Humanoid Robot  PC-based Controller  Kinematic  Kalman Filter  Robot Localization 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究實現小型(Kidsize)人型機器人在環境中的同時自我定位與建立地圖功能。首先,設計與製作符合RoboCup規格的人型機器人;其次,探討人型機器人正反向運動學,進而規劃機器人的行走步態。最後,使用卡爾曼濾波器實現機器人同時自我定位與建圖功能。藉由電腦模擬與實驗完成同時自我定位與建圖演算法。實驗結果證明機器人在足球場上可以依賴已知位置的標示物達到自我定位。
英文摘要 In this thesis, a simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm is developed for a RoboCup Kidsize humanoid robot. This research is divided into three stages. First, we design and fabricate a humanoid robot which is conformed to the regulation of RoboCup Kidsize humanoid robot league. Second, forward and inverse kinematics for the designed humanoid robot is investigated. Based on the kinematics analysis, several walking patterns are also planned for the robot. Finally, we utilize Kalman filter to implement SLAM on this humanoid robot system. Both of the computer simulation and experimental work are performed to verify the proposed SLAM algorithm. The results show that the humanoid robot system can locate its position on a planar soccer field according to the position of a beacon.
論文目次 目錄

致謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅲ
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X
第1章 序論 1
1.1研究動機與研究目的 1
1.2文獻探討 2
1.3研究範圍 3
1.4 論文架構 3

第2章 機器人機構設計與系統架構 4
2.1 機器人機構設計 4
2.1.1 直交軸設計 5
2.1.2 大腿與小腿鈑金設計 6
2.1.3上半身設計 8
2.1.4手臂設計 8
2.2材料與零組件選用 10
2.2.1 材料選用 10
2.2.2零組件選用 10
2.3 機電系統整合 11
2.3.1伺服機選用 11
2.3.2 驅動板 12
2.3.3 PC-based控制器 13
2.3.4 電池與電源電路板 13
2.3.5 攝影機 14
2.3.6 軟體 15
2.4 進行組裝 17

第3章 機器人運動模式 20
3.1 正向運動學(Forward kinematics) 20
3.2 反向運動學(Inverse Kinematics) 25
3.2.1 右腳反向運動學 25
3.2.2 右手反向運動學 30
3.2.3 左腳反向運動學 33
3.2.4 左手反向運動學 38
3.3 反向運動學與SSC-32步態命令轉換 41
3.4 行進步態規劃 42

第4章 機器人自我定位與地圖建立 46
4.1 機器人系統 46
4.2 機器人自我定位 48

第5章 機器人運動學實測 51
5.1 機器人步態規劃 51
5.2 機器人連續跨步測試 53
5.3 機器人各跨一步測試 57
5.4 機器人側行跨步測試 59

第6章 機器人自我定位實測 61
6.1 參數估測 61
6.2 機器人在平面場地一維自我定位 63
6.3 機器人在平面場地自我定位 66

第7章 結果與討論…………………………………………………………………………….71
7.1 研究成果………………………………………………………………………………71
7.2 未來研究方向…………………………………………………………………………71

參考文獻………………………………………………………………………………………...73
附錄A 機構設計尺寸限制 76
附錄B 伺服機 77
附錄C 鋁合金材料 79
附錄D 應力分析 80
附錄E 馬達控制器SSC-32 82
附錄F 工業電腦 83
附錄G 攝影機 84
附錄H Kalman Filter 85


圖目錄

圖2.1機器人尺寸規格 4
圖2.2鈑金設計流程 5
圖2.3直交軸最大旋轉角度 5
(a)鈑金除料21mm 5
(b)直交軸鈑金旋轉角度 5
圖2.4直交軸鈑金補強 5
(a)鈑金除料15mm 5
(b)直交軸鈑金旋轉角度 5
圖2.5直交軸視圖 6
(a)等角視圖 6
(b)等角視圖 6
(c)側視圖 6
(d)上視圖 6
圖2.6膝關節馬達擺放與小腿鈑金角度 7
圖2.7機器人蹲下旋轉角度 7
圖2.8機器人下半身干涉檢查 8
(a)抬左腳最大角度 8
(b)左腳往後擺最大角度 8
圖2.9機器人上半身 9
圖2.10機器人手臂 9
圖2.11機器人的機構圖 9
圖2.12伺服機與旋轉盤縫隙變形示意圖 10
圖2.13滾針軸承 10
圖2.14伺服機旋轉角度與pulse width關係 12
圖2.15 SSC-32實體圖 12
圖2.16威強工業電腦Wafer-LUKE-533 13
圖2.17 SAMSUNG Li電池 14
圖2.18電池供電配置圖 14
圖2.19 Microsoft LifeCamVX-6000 15
圖2.20人機介面 15
圖2.21機器人操作介面 16
圖2.22伺服機與鈑金 17
圖2.23機器人正視圖 17
圖2.24機器人側視圖 18
圖2.25機器人背視圖 18
圖2.26機器人上視圖 19
圖3.1座標系{A}向量與座標系{B}向量 21
圖3.2機器人各軸座標系 24
圖3.3機器人DH連桿參數 24
圖3.4 Right Leg turn right 25
圖3.5 rotation matrix 25
圖3.6 Right Leg各座標系轉換 28
(a)座標系{6}與{5}的轉換 28
(b)座標系{4}與{1}的轉換 28
(c) 座標系{1}與{2}的轉換 28
圖3.7求算角度θ2θ3θ4 29
(a)x1y1平面求算φ2 28
(b)R-leg knee in front of body 28
(c)R-leg knee in back of bady 29
圖3.8右手各座標系轉換 31
(a)座標系{B}與{14}的轉換 31
(b)座標系{14}與{15}的轉換 31
圖3.9求算角度θ15θ16θ17 32
(a) x14y14平面求算φ15 32
(b)右手手肘向上 32
(c)右手手肘向下 32
圖3.10 Left Leg turn left 33
圖3.11 rotation matrix 33
圖3.12 Left Leg各座標系轉換 35
(a)座標系{13}與{12}轉換 35
(b)座標系{11}與{8}轉換 35
(c)座標系{8}與{9}轉換 35
圖3.13求算角度θ9θ10θ11 36
(a)x8y8平面求算φ9 36
(b)L-leg knee in front of bady 36
(c)L-leg knee in back of bady 36
圖3.14左手各座標系轉換 39
(a)座標系{B}與{18}的轉換 39
(b)座標系{18}與{19}的轉換 39
圖3.15求算θ19θ20θ21 40
(a) x18y18平面求算φ19 40
(b) 左手手肘向上 40
(c) 左手手肘向下 40
圖3.16 伺服機與SSC-32 servo channel 42
圖3.17 反向運動學角度轉換流程 43
圖3.18 機器人前進步驟1至步驟5 44
圖3.19 機器人前進步驟6至步驟11 44
圖3.20 機器人前進步驟12至步驟15 45
圖4.1 攝影機座標系統定義 47
圖4.2 透視投影法 47
圖4.3 卡爾曼過濾器方塊圖 50
圖5.1 抬左腳理想位置與實際位置 52
圖5.2 抬右腳理想位置與實際位置 52
圖5.3 連續跨步測試 57
圖5.4 機器人各跨一步 58
圖5.5 機器人向右側行 60
圖6.1 測試用方格紙 61
圖6.2 測試格紙在不同距離求算的l值 63
圖6.3 機器人場地位置圖 64
圖6.4 機器人座標設定 64
圖6.5 機器人自我定位連續影像 66
圖6.6 狀態、狀態估測與影像量測值 66
圖6.7 狀態誤差變異數P 66
圖6.8 機器人座標設定 67
圖6.9 機器人場地位置圖 69
圖6.10 機器人自我定位連續影像 69
圖6.11 狀態與估測狀態 70
圖6.12 狀態誤差變異數P 70
圖7.1 卡爾曼自我定位與建圖流程圖 72
表目錄

表2.1 人機介面按鈕功能 16
表3.1 Right leg DH parameters 22
表3.2 Left leg DH parameters 22
表3.3 Right hand DH parameters 23
表3.4 Left hand DH parameters 23
表3.5 立正姿態的步態角度初始值與控制命令初始值 23
表3.6 θ與馬達旋轉方向關係 42
表6.1 在不同距離下之l值 61




參考文獻 參考文獻

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