淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2807202017223800
中文論文名稱 基於B-Spline曲線之人形機器人踢球動作規劃
英文論文名稱 Kicking Motion Planning of Humanoid Robot Based on B-Spline Curves
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 賴偉凡
研究生英文姓名 Wei-Fan Lai
學號 607470183
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-29
論文頁數 52頁
口試委員 指導教授-劉智誠
共同指導教授-李祖添
委員-練光祐
委員-李世安
委員-劉智誠
中文關鍵字 人形機器人  踢球  軌跡規劃  B-Spline曲線  平衡控制  姿態控制 
英文關鍵字 Humanoid Robot  Kicking  Trajectory Planning  B-Spline Curve  Balance Control  Posture Control 
學科別分類
中文摘要 本論文提出一種人形機器人之踢球動作的規劃方式,並實現在FPGA結合ARM處理器的SoC系統。本論文使用B-Spline曲線規劃踢球動作的軌跡,再透過逆運動學求得各軸關節馬達之轉動角度,進而執行踢球的動作,以此解決調整預設動作所花費的時間,也改善了踢球力道不足與踢球範圍過小之問題。機器人在踢球過程進行收腳動作時,機器人會因為自身重量的影響導致上半身傾斜,使機器人的踢球腳放置地面時容易過度用力踏地而造成自身的不穩定,甚至跌倒,因此本論文加入了姿態平衡控制來解決此問題。姿態平衡控制先以慣性量測單元(Inertial Measurement Unit, IMU)計算出機器人的上半身姿態,然後控制機器人的上半身垂直於地面,以此讓機器人在踢球時保持平衡。由實驗結果可得知,本論文所提出之踢球動作的規劃方式,能夠有效降低調整的花費時間,並且改善踢球力道與增加踢球範圍,以及提升踢球的穩定性,使機器人能順利完成踢球動作。
英文摘要 In this thesis, a kicking motion planning of humanoid robot is proposed and designed on a SoC system which integrates a FPGA and a ARM processor. In this thesis, the B-Spline curve is used to plan the trajectory of kicking ball motion. The rotation angle of the joint motor of each axis is obtained by the inverse kinematics. Then the kicking motion can be performed. The proposed method can effectively reduce the time that spent adjusting the original motion. It also improves the problems of insufficient kicking power and less kicking range. When the robot returns its kicking foot during kicking motion, the upper body of the robot tiles due to its own weight. It makes the robot's kicking foot easily step on the ground with excessive force and cause its own instability and even fall. Therefore, this thesis uses posture balance control to solve thses problems. On the part of posture balance control, First, inertial measurement unit (IMU) is used to estimate the upper body posture of the robot. Then the upper body of the robot is controlled to be perpendicular to the ground to keep the robot balanced when the robot kicking. The experimental results show that the proposed method of kicking motion planning can effectively reduce the time spent on adjustments, improve the kicking force, increase the kicking range, and improve the stability of kicking. So that the robot can successfully complete the kicking motion.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 VIII
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 人形機器人平台介紹 4
2.1前言 4
2.2人形機器人機構介紹 5
2.3人形機器人控制板及周邊元件介紹 8
2.3.1 IPC工業電腦 9
2.3.2 SoC FPGA開發版 10
2.3.3轉接電路版 11
2.3.4感測器元件 12
第三章 人形機器人踢球系統 14
3.1前言 14
3.2 參數式自由曲線 17
3.2.1 Bezier曲線 17
3.2.2 B-Spline曲線 20
3.3 踢球軌跡設計 24
第四章 平衡控制器設計與實驗結果 30
4.1前言 30
4.2巴特沃斯濾波器 31
4.3姿態平衡控制 33
4.4實驗結果 37
第五章 結論與未來展望 49
5.1結論 49
5.2未來展望 50
參考文獻 51

圖目錄
圖2.1、人形機器人機構設計與尺寸圖 7
圖2.2、自由度設計圖 8
圖2.3、IPC工業電腦實體圖 9
圖2.4、DE10-Nano實體圖 10
圖2.5、轉接電路板實體圖 11
圖3.1、系統架構圖 14
圖3.2、踢球距離的示意圖 16
圖3.3、不同踢球距離的模擬示意圖 17
圖3.4、n+1個控制點之n次Bezier曲線及基底函數示意圖 20
圖3.5、n+1個(n=5)控制點與節點向量為u={0,0,1,2,3,4,5,5}之1次(k=1)B-Spline曲線及基底函數示意圖 21
圖3.6、n+1個(n=5)控制點與節點向量為u={0,0,0,1,2,3,4,4,4}之2次(k=2)B-Spline曲線及基底函數示意圖 22
圖3.7、n+1個(n=5)控制點與節點向量為u={0,0,0,0,1,2,3,3,3,3}之3次(k=3)B-Spline曲線及基底函數示意圖 22
圖3.8、n+1個(n=5)控制點與節點向量為u={0,0,0,0,0,1,2,2,2,2,2}之4次(k=4)B-Spline曲線及基底函數示意圖 23
圖3.9、n+1個(n=5)控制點與節點向量為u={0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1}之5次(k=5)B-Spline曲線及基底函數示意圖 23
圖3.10、Bezier曲線、B-Spline曲線、NURBS曲線之關係圖 24
圖3.11、理想踢球軌跡圖 25
圖3.12、抬腳軌跡圖 26
圖3.13、前踢軌跡圖 27
圖3.14、收腳軌跡圖 28
圖4.1、姿態平衡控制示意圖 30
圖4.2、姿態感測器之原始數據 31
圖4.3、姿態感測器之頻率分析 32
圖4.4、一階巴特沃斯低通濾波器濾波後的結果 33
圖4.5、姿態平衡控制之系統架構圖 34
圖4.6、無使用角度與理想角速度之曲線結果 34
圖4.7、角度與理想角速度之曲線 36
圖4.8、有使用角度與理想角速度之曲線結果(Kp=0.4,Kd=0) 36
圖4.9、無使用姿態平衡控制之踢球連續動作圖 39
圖4.10、有使用姿態平衡控制之踢球連續動作圖 40
圖4.11、實際踢球之Roll軸變化 41
圖4.12、預設動作之踢球範圍 42
圖4.13、軌跡規劃之踢球範圍 44
圖4.14、預設動作與軌跡規劃之踢球範圍比較圖 45
圖4.15、球滾動的詳細距離 46
圖4.16、預設動作之踢球連續動作圖 47
圖4.17、軌跡規劃之踢球連續動作圖 48

表目錄
表2.1、人形機器人之規格 4
表2.2、MX-64與XM430馬達比較 6
表2.3、IPC工業電腦規格 9
表2.4、DE10-Nano規格 10
表2.5、GY-87規格表 12
表2.6、TAL230A規格表 13
表3.1、系統架構圖的詳細參數表 15
表3.2、機器人腳底板及球的尺寸 16
表3.3、收腳軌跡之控制點 27
表3.4、前踢軌跡之控制點 28
表3.5、收腳軌跡之控制點 29
表4.1、預設動作與軌跡規劃之踢球範圍 41
表4.2、預設動作與軌跡規劃之踢球數據 46
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[22] Itread01, URL:https://www.itread01.com/content/1548858635.html.
[23] 沈宜郡,基於B-Spline曲線之六軸機械手臂繪圖系統,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2013。
[24] S. Butterworth, “On the theory of filter amplifiers,” Experimental Wireless and the Wireless Engineer, vol. 7, 1930, pp. 536–541.
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