雙足機器人的動作進化設計與實現

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陳長煦(Chang - hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

雙足機器人的動作進化設計與實現
(Evolution motion design and implementation in humanoid robot)

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摘要(中)

本論文目標在於設計及製作出一台具有強健平衡功能的雙足機器人。首先，我們製作出第一代機器人，並利用機器人多連桿系統與COP 平衡之概念，設計出「姿態平衡控制器」，藉此使用者只需輸入機器人的「初始」及「目標」兩筆動作矩陣至控制器內，控制器就會透過內插法、COP 穩定判斷與腳踝修正機制，將不穩定的動作矩陣調整為穩定動作軌跡，減輕使用者設計動作的負擔。第一代機器人能平穩的執行舉手、踢腳、鞠躬、蹲下及行走等動作。接著，我們將第一代機器人做硬體及控制器的改良，完成了第二代機器人。硬體架構上增加多維度腰部機構，讓機器人能以更多元之方式調整姿態、適應環境，接著運用空間感測器偵測地面傾斜程度，並搭配模糊控制器的即時運算，修正機器人在斜坡上的不穩定姿態，再以影像處理技術進行目標物辨識、追蹤與射擊。基於以上，第二代機器人能夠穩定執行舉重、抓取單槓且平移、斜坡行走平衡與瞄準射擊氣球等任務，充分表現出機器人在平衡上的強健性，與影像處理的高辨識率。最後由實驗數據分析證明，腰部機構與模糊控制器對於機器人平衡姿態，具有極佳的貢獻。

摘要(英)

The objective of this study is to design and fabricate a robust balance biped robot. First, the “first generation humanoid biped robot” is constructed, and then the “balance controller” is designed by using the multi-link system and the COP concept. The users just input the initial state and final state motion matrices into the controller, based on the linear interpolation, COP concept, and ankle modification method, the motion matrices can be adjusted to a stable motions trajectory such that the humanoid robot can do the motion trajectory and keep balance all the time. The first generation humanoid robot can stably perform the motions such as raising hand, kicking, bowing, squatting, and walking. Subsequently, the second generation humanoid robot is accomplished by improving the hardware and controller of the first generation humanoid robot. Three degrees of freedom (DOF) motors are set at the waist, inertial measurement unit (IMU) and the fuzzy controller are employed to make the robot adjust its posture and then stably stand on the slope platform. Furthermore, this robot has image processing function to recognize, track, and shoot the target. In summary the second generation humanoid robot can accomplish the motions such as weightlifting, grabing horizontal bar, walking on the slope platform and shooting target, which show the effectiveness of robust balance control and image recognition. Finally, the experimental result data show that the waist structure and fuzzy controller can help the humanoid robot to keep balance obviously.

關鍵字(中)

★ 雙足機器人
★ 平衡控制器
★ 感測模組
★ 影像辨識

關鍵字(英)

★ Image processing
★ sensor module
★ Balance control
★ Biped robot

論文目次

摘要 i
致謝 iii
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xiii
第一章緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2文獻回顧 2
1.3論文目標 3
1.4論文架構 3
第二章系統架構與機構介紹 4
2.1系統架構 4
2.1.1電腦端系統架構 5
2.1.2機器人端系統架構 5
2.1.3使用者端系統架構 8
2.2機構介紹 9
2.2.1第一代機器人 9
2.2.2第二代機器人 10
第三章影像辨識處理 13
3.1影像擷取 13
3.2色彩空間轉換 14
3.3確認目標顏色 14
3.4中心點座標計算 16
第四章機器人模型建立與人機介面操作 17
4.1機器人多連桿系統設計 17
4.2 Center of Pressure (COP)介紹 19
4.3姿態平衡控制器設計 20
4.4人機互動介面 22
第五章機器人平衡控制與動作任務開發 27
5.1舉重平衡動作任務開發 27
5.1.1辨識目標物位置 28
5.1.2彎腰抬重物 29
5.1.3抬重物行走 31
5.2單槓平移動作任務開發 32
5.2.1機器人手部結構設計 32
5.2.2機器人單槓平移姿態剖析 33
5.3斜坡平衡動作任務開發 34
5.3.1平衡控制策略 34
5.3.2感測器模組與輸出應用 36
5.3.3模糊控制器設計 38
5.4目標物追蹤與射擊動作任務開發 42
5.4.1目標物位置追蹤 43
5.4.2鎖定目標與射擊 44
第六章實驗結果 47
6.1實驗場景介紹 47
6.2實驗流程 49
6.3實驗成果 50
6.3.1單一動作執行 50
6.3.2多重連續動作執行 57
6.3.3機器人舉重行走平衡 59
6.3.4機器人抓取單槓且平移 61
6.3.5斜坡平台自主平衡行走 63
6.3.6機器人追蹤目標並射擊 82
第七章結論與未來展望 85
7.1結論 85
7.2未來展望 86
參考文獻 87

參考文獻

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[28] RoBoard 首頁，
http://www.roboard.com/，2011年12月15號。

指導教授

王文俊(Wen - june Wang)

審核日期

2012-7-20

推文