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系統識別號 U0002-2708201021011000
中文論文名稱 以SOPC為基礎之人形機器人全方位行走系統的設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of SOPC-Based Omnidirectional Walking System for Humanoid Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 陳顥哲
研究生英文姓名 Hao-Che Chen
學號 696470029
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-16
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-陶金旺
委員-江正雄
委員-練光祐
委員-龔宗鈞
委員-翁慶昌
中文關鍵字 人形機器人  全方位行走  零力矩點  可程式單晶片系統 
英文關鍵字 Humanoid robot  Omnidirectional walking  Zero Moment Point  SOPC 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文設計一人形機器人的全方位行走系統,並且以SOPC技術將其實現在一台具有23自由度之人形機器人上。此人形機器人具有雙腳12個自由度、雙手8個自由度、頭部2個自由度與腰部1個自由度。在SOPC技術的實現上,本論文以硬體電路所建構的模組來控制馬達及接收感測器資訊,並以內部的軟核心處理器來計算機器人的行走動作。在實現控制人形機器人的功能上,本論文以平行處理方式來降低內部軟核心的處理時間,其可加快機器人的反應時間。在模擬上,本論文以D-H參數表建立機器人的運動模型,然後以此模型來模擬計算機器人的COM以及ZMP。在全方位行走系統的架構上,本論文將行走動作分為原地踏步、前後移動、左右側移以及左右旋轉等四種類型,並且藉由模擬測試來確認ZMP位置及檢查動作的穩定性。在調整動作上,本論文簡化了以往調整動作的方式,使得調整動作的時間縮短。從測試實驗結果可知,本論文以原地踏步為基礎所產生出來的行走動作較不受外力干擾,並且可以提升人形機器人行走的穩定度。
英文摘要 In this thesis, an omnidirectional walking system is proposed and it is implemented by the SOPC (System on Programmable Chip) technology to control a humanoid robot with 23 DOF (Degree of Freedom). This humanoid robot has 12 DOF for two legs, 8 DOF for two arms, 2 DOF for head, and 1 DOF for waist. In the implementation of SOPC technology for this humanoid robot, the parallel processing structure is used to control motors and capture sensor’s information so that the processing time of walking system is decreased. For the simulation, In this thesis use D-H (Denavit-Hartenberg) parameters table is used to build a humanoid robot model, then the COM (Center of Mass) and ZMP (Zero Moment Point) can be calculated by using this model. There are four types of walking motion in this omnidirectional walking system: mark time, forward and backward, left and right lateral, left and right rotation. The ZMP simulation is used to check the walking motion is stable or not. Owing to the number of adjusting parameters of the proposed omnidirectional walking system is decreased so that the motion adjustment of the robot is easier. From the experiment results, we can see that the walking motion of the robot based on the mark time is less influenced by the external force and the walking stability can be increased.
論文目次 目錄
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 人形機器人系統設計 4
2.1人形機器人機構設計 4
2.1.1頭部機構 5
2.1.2手部機構 7
2.1.3 腰部機構 8
2.1.4 腳部機構 9
2.2人形機器人控制核心設計 12
2.2.1 RS-232傳輸模組: 14
2.2.2資料分析模組 15
2.2.3 Flash存取模組 17
2.2.4行為執行模組 18
2.3.5馬達控制系統模組 19
2.3人形機器人人機介面設計 22
第三章人形機器人模型分析與步態規劃 26
3.1人形機器人模型建立與定義 26
3.2 D-H座標連桿表示法 27
3.3人形機器人正運動學 30
3.4 步態規劃 32
3.5人形機器人逆運動學 38
3.6 ZMP原理與應用 42
第四章全方位行走系統設計 45
4.1靜態平衡功能 45
4.2全方位行走步伐規劃 49
4.2.1 原地踏步 50
4.2.2 前進後退 55
4.2.4 左右旋轉 60
4.2.5 系統流程 62
4.3全方位行走功能成果 63
4.3.1 模擬結果 63
4.3.2 實際結果 66
第五章 結論與未來展望 76
參考文獻 77


圖目錄
圖2. 1、機器人機構圖:(a)實體圖、(b)3D模擬圖 5
圖2. 2、頭部自由度示意圖 6
圖2. 3、手部自由度 7
圖2. 4、腰部自由度 9
圖2. 5、大、小腿等長比例 10
圖2. 6、腳部自由度示意圖 11
圖2. 7、CNC件與馬達結合機構圖 11
圖2. 8、CT-SOPCx之實體圖 13
圖2. 9、系統架構圖 14
圖2. 10、RS-232傳輸模組 15
圖2. 11、資料分析模組圖 16
圖2. 12、全部清除之時序圖 18
圖2. 13、部分清除之時序圖 18
圖2. 14、動作執行模組連結示意圖 19
圖2. 15、動作執行模組讀取Flash資料的過程示意圖 19
圖2. 16、馬達控制系統架構圖 20
圖2. 17、馬達命令控制模組 21
圖2. 18、馬達資訊回授模組 21
圖2. 19、主視窗 23
圖2. 20、馬達角度檢查功能 24
圖2. 21、加減角度提示 24
圖2. 22、資料庫 25
圖2. 23、傳輸介面 25
圖3. 1、人形機器人的物理模型示意圖 27
圖3. 2、連桿與參數的關係圖:(a)對Z軸旋轉,(b)對X軸旋轉。 29
圖3. 3、單足機構的D-H連桿座標示意圖 29
圖3. 4、人形機器人的數學模型圖 31
圖3. 5、機器人行走示意圖 32
圖3. 6、原地踏步的分解動作 33
圖3. 7、重心側移動作示意圖 34
圖3. 8、重心側移軌跡圖 35
圖3. 9、抬腿動作示意圖 36
圖3. 10、抬腿軌跡圖 36
圖3. 11、開腿動作示意圖 37
圖3. 12、開腿軌跡圖 37
圖3. 13、原地踏步之步態軌跡圖 38
圖3. 14、重心側移之逆運動學示意圖 39
圖3. 15、重心側移之馬達角度圖 39
圖3. 16、抬腿之逆運動學示意圖 40
圖3. 17、抬腿之馬達角度圖 40
圖3. 18、開腿之逆運動學示意圖 41
圖3. 19、開腿之馬達角度圖 41
圖3. 20、ZMP作用點示意圖 43
圖3. 21、原地踏步之ZMP位置 44
圖4. 1、三軸加速度儀在機器人身上所測得加速度方向之示意圖 45
圖4. 2、機器人平衡動作所用的動作 47
圖4. 3、靜態平衡的模糊平衡系統 48
圖4. 4、人形機器人六種基本行走動作移動示意圖 49
圖4. 5、原地踏步之軌跡圖 51
圖4. 6、動作取樣時間示意圖 51
圖4. 7、前進之軌跡圖 55
圖4. 8、前進後退之逆運動學示意圖 56
圖4. 9、每個週期前進3cm之模擬圖 57
圖4. 10、左右側移之逆運動學示意圖 58
圖4. 11、每個週期左側移8cm之模擬圖 59
圖4. 12、機器人旋轉角度示意圖:(a)轉動髖關節(b)角度回正 60
圖4. 13、最大旋轉角度 60
圖4. 14、每個週期右轉"0.293°" 度之模擬圖 61
圖4. 15、全方位行走系統流程圖 62
圖4. 16、前進後退之機器人軌跡模擬圖 64
圖4. 17、左右側移之機器人軌跡模擬圖 64
圖4. 18、左右旋轉之機器人軌跡模擬圖 65
圖4. 19、左右直走之機器人軌跡模擬圖 65
圖4. 20、左右護球之機器人軌跡模擬圖 66
圖4. 21、前進("RobotY=3" )之連續圖 68
圖4. 22、後退("RobotY=-3" )之連續圖 69
圖4. 23、左側移("RobotX=-3" )之連續圖 70
圖4. 24、右側移("RobotX=3" )之連續圖 71
圖4. 25、左轉("Robotθ" =-8)之連續圖 72
圖4. 26、右轉("Robotθ" =8)之連續圖 73
圖4. 27、左直走("RobotY" =3, "Robotθ" =-8)之連續圖 74
圖4. 28、右直走("RobotY" =3, "Robotθ" =8)之連續圖 75


表目錄
表2.1、AX-12伺服機規格表 6
表2. 2、DX-117伺服機規格表 8
表2. 3、RX-28伺服機規格表 9
表2. 4、RX-64伺服機規格表 12
表2. 5、CT-SOPCx規格表 13
表2. 6、指令封包 16
表2. 7、指令封包中的命令 17
表2. 8、資料封包格式 17
表3. 1、單足機構的D-H參數表 30
表4. 1、模擬與實際移動距離的差異表 67
表4. 2、模擬與實際旋轉角度的差異表 67

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