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系統識別號 U0002-3107200814525100
中文論文名稱 溜冰人形機器人之設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of Humanoid Robot for Skating Motion
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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 胡越陽
研究生英文姓名 Yueh-Yang Hu
學號 695460047
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-02
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-李祖聖
委員-龔宗鈞
委員-黃志良
委員-王文俊
委員-翁慶昌
中文關鍵字 人形機器人  溜冰機器人  零力矩點  模糊系統 
英文關鍵字 Humanoid Robot  Skating Robot  Zero Moment Point  Fuzzy System 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文設計與實現一台具有視覺的溜冰人形機器人,機器人除了具有基本的滑行動作之外,機器人亦可以自主決定適當的決策來達到自主爬起、自主平衡以及視覺自主導航等功能。機器人具有26個自由度,並依據各關節施力大小的不同選用四種不同扭力的伺服馬達來讓機器人之結構足以實現基本滑行動作。機器人之處理核心是以凌陽科技的μ’nsp數位訊號處理器與Altera公司的嵌入式軟核心處理器Nios II來構成一個雙處理器控制架構。在自主爬起之設計與實現上,本論文使用加速度感測器來讓機器人偵測其是否倒在地上,並且讓機器人能夠自主爬起。在自主平衡之設計與實現上,本論文使用壓力感測器來讓機器人偵測其零力矩點(ZMP)以及零力矩點的差(∆ZMP),本論文提出一個兩輸入與一輸出之模糊平衡系統,其可以產生一適合之修正動作m 來調整一些馬達的角度,讓機器人在斜坡上滑行時亦能夠自主平衡。在視覺自主導航之設計與實現上,本論文使用CMOS感測器來讓機器人取得環境之影像資訊,μ’nsp執行影像處理來擷取地板上的線,一些策略被設計與實現在μ’nsp上來讓機器人可以依據視覺影像所擷取之地上的線,然後沿線自主滑行,實現溜冰機器人視覺自主導航的功能。從實驗結果可以證明所完成的溜冰人形機器人確實可以完成溜冰基本滑行動作、自主爬起、自主平衡與視覺自主導航等功能。
英文摘要 A design and implement method of a humanoid robot for skating is proposed in this thesis. The implemented humanoid robot not only can do basic skating motion, but also can make suitable decision to get up, balance, and navigation by itself based on the detected information from the accelerometer, force sensor, and CMOS sensor. A mechanism structure with 26 degrees of freedom (DOF) is design and four kinds of servo motors with different torque are used so that the implemented humanoid robot can do some basic skating motion. The digital signal process of μ’nsp made by SUNPLUS and the embedded soft core processor of NIOS II made by Altera are used to construct a two-processor control scheme. One accelerometer is installed on the robot to detect whether the robot falls down or not and a control strategy is made to let the robot get up by itself. Force sensors are installed on the feet of robot to calculate its Zero Moment Point (ZMP) and difference of ZMP. A two-input-and-one-output fuzzy balancing system is proposed to modify the angle of some servo motors so that the robot can also balance when it skates on an inclined plane. One CMOS sensor is used to capture the environment image and the image process is implemented on u’nsp to detect the lines on the floor. The strategy is design and implemented on u’nsp so that the vision-based robot can do some appropriate skating motion to follow the line. From the experiment results, we can see the implemented skating humanoid robot actually can do some basic skating motion, get up by itself, autonomous balance, and vision-based autonomous navigation.
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 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 論文架構 4
第二章 溜冰人形機器人系統設計 5
2.1 溜冰人形機器人系統架構 5
2.2 溜冰人形機器人硬體設計 6
2.3 溜冰人形機器人控制核心設計 11
2.4 溜冰人形機器人人機介面設計 16
2.5 溜冰人形機器人影像設計 25
第三章 溜冰人形機器人感測器應用設計 29
3.1 三軸加速度計與自主爬起設計 29
3.2 藍芽無線模組與遠端遙控設計 37
第四章 自主平衡功能設計 45
4.1 ZMP之原理與應用 45
4.2 自主平衡策略設計 47
4.3 自主平衡功能成果 61
第五章 溜冰人形機器人視覺自主導航功能設計 63
5.1 環境介紹 63
5.2 自主導航策略設計 64
5.3 自主導航功能成果 70
第六章 結論與未來展望 73
6.1 結論 73
6.2 未來展望 73
參考文獻 75
圖目錄
圖1.1、 四輪溜冰鞋 3
圖1.2、 人形機器人足球員及溜冰機器人實體圖 4
圖2.2.1、 機器人機構圖 7
圖2.2.2、 頭部自由度示意圖 7
圖2.2.3、 手部自由度 8
圖2.2.4、 腰部自由度 9
圖2.2.5、 大、小腿等長比例 9
圖2.2.6、 腳步自由度示意圖 10
圖2.2.7、 溜冰鞋示意圖 11
圖2.3.1、 運動控制核心 12
圖2.3.2、 資料分析模組 13
圖2.3.3、 動作執行模組連結示意圖 15
圖2.3.4、 動作執行模組讀取Flash資料的過程示意圖 15
圖2.3.5、 馬達控制器連結示意圖 16
圖2.4.1、 主視窗 18
圖2.4.2、 加減角度提示 18
圖2.4.3、 加減角度差 19
圖2.4.4、 資料庫 19
圖2.4.5、 同步選擇 20
圖2.4.6、 特殊操作-對秤轉換 20
圖2.4.7、 加入特殊操作動作 21
圖2.4.8、 特殊操作-逆向轉換 21
圖2.4.9、 單筆傳送介面 22
圖2.4.10、 多筆傳送 23
圖2.4.11、 壓力感測器回傳介面 24
圖2.4.12、 加速度計回傳介面 24
圖2.5.1、 影像畫面處理前後比較圖 26
圖2.5.2、 影像顏色資訊分布位置示意圖 27
圖2.5.3、 洪求與黃球之影像辨識 28
圖3.1.1、 三軸加速度計(KXP84-1050)之內部電路方塊示意圖 29
圖3.1.2、 三軸加速度計電路圖 30
圖3.1.3、 三軸加速度計於機器人之電路模組 31
圖3.1.4、 三軸加速度計傳輸模組 33
圖3.1.5、 三軸加速度計資料切割方式 33
圖3.1.6 三軸加速度計在機器人身上所測得加速度方向之示意圖 35
圖3.1.7、 機器人爬起之動作流程圖 37
圖3.2.1、 藍芽模組圖 37
圖3.2.2、 遙控系統示意圖 39
圖3.2.3、 RS232資料接收模組圖 39
圖3.2.4、 機器人向前滑行動作流程圖 42
圖3.2.5、 向右滑行動作流程圖 43
圖3.2.6、 向左滑行動作流程圖 44
圖4.1.1、 Zero-Motion Pointm原始定義圖 46
圖4.1.2、 ZMP與COP關係圖 47
圖4.2.1、 壓力感測器實體圖 48
圖4.2.2、 壓力感測器收送模組. 50
圖4.2.3、 壓力感測器資料回傳模組 50
圖4.2.4、 感測器回傳流程圖 52
圖4.2.5、 壓力感測器裝載圖 53
圖4.2.6、 溜冰人形機器人之中心座標 54
圖4.2.7、 機器人中心點與各壓力感測器之關係圖 54
圖4.2.8、 修正動作圖 55
圖4.2.9、 模糊控制器 56
圖4.2.11、 輸出與輸入之歸屬函數 59
圖4.2.12、 壓力感測器的模糊平衡系統 61
圖4.3.1、 溜冰人形機器人自主平衡呈現圖 62
圖5.1.1、 場地示意圖 63
圖5.2.1、 目標線段於影像畫面之相對座標圖 67
圖5.2.2、 目標線段於影像畫面之絕對做標圖 68
圖5.2.3、 策略流程圖 69
圖5.3.1、 溜冰人形機器人自主導航呈現圖(I) 71
圖5.3.2、 溜冰人形機器人自主導航呈現圖(II) 72
表目錄
表2.3.1、 指令封包 13
表2.3.2、 指令封包中的命令 13
表2.3.3、 資料封包格式 14
表2.3.4、 馬達固定角度資料封包格式 16
表2.3.5、 馬達加減角度資料封包格式 16
表3.1.1、 g_c&g_8c12之腳位功能介紹 34
表3.2.1、 馬達固定角度資料封包格式 41
表4.2.1、 壓力感測器規格表 48
表4.2.2、 命令指令表 49
表4.2.3、 壓力感測器收送模組腳位功能表 51
表4.2.4、 模糊規則庫 60
表5.2.1、 目標線段之色彩辨識調整過程 65
表5.2.2、 目標線段往右偏移之情況 66
參考文獻 [1]比爾‧蓋茲(Bill Gates)、翻譯/鍾樹人,“家家都有機器人”,《科學人》雜誌,2007。
[2]財團法人國家實驗研究院科技策略研究與資訊中心,“重大產業政策:我國智慧型機器人產業發展方向”,2005。http://cdnet.stpi.org.tw/techroom/policy/policy_05_013.htm
[3]台大溜冰網站:http://club.ntu.edu.tw/~club20142/history.htm
[4]C.C. Wong, C.T. Cheng, K.H. Huang, and Y.T. Yang, “Design and implementation of humanoid robot for obstacle avoidance,” 2007 FIRA Robot World Congress, Jun. 2007.
[5]Homepage of ALTERA: http://www.altera.com/
[6]Homepage of KONDO: http://www.kondo-robot.com/
[7]立雅科技,SolidWorks 2004實戰演練-基礎篇,知城數位,2003。
[8]鄭凱中、洪志輝、趙凱泓、劉齡禧與方信然,“第四代人形機器人之研製”,淡江大學電機工程學系專題實驗報告,2007。
[9]http://www.kionix.com/accelerometers/accelerometer-KXP84.html
[10]張義和,Protel DXP 電腦輔助電路設計全紀錄,全華科技圖書,2003。
[11]http://zh.wikipedia.org/wiki/I2C
[12]http://en.wikipedia.org/wiki/SPI_bus
[13]陳慶逸與林柏辰,VHDL數位電路實習與專題設計,文魁資訊,2003。
[14]Y. Bachar, “Developing controllers for ciped humanoid locomotion,” Master of Science School of Informatics University of Edinburgh,2004.
[15]F.M. Silva and J.A.T. Machado, “Position/force control of biped walking robots,” Int. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 5, pp.3288 – 3293, Oct. 2000.
[16]Y. D. Kim, B.J. Lee, J.H. Ryu, J.H. Kim, “Landing force control for humanoid robot by time-domain passivity approach,” Robotics Journal, vol. 23. pp.1294 – 1301, Dec. 2007.
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2013-08-04公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2013-08-04起公開。


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