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。

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.

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

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