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研究生：	吳易宸 Wu, Yi-Chen
論文名稱：	雙足機器人之步態規劃與控制 Gait Planning and Control of a Biped Robot
指導教授：	何明字 Ho, Ming-Tzu
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 工程科學系 Department of Engineering Science
論文出版年：	2020
畢業學年度：	108
語文別：	中文
論文頁數：	231
中文關鍵詞：	雙足機器人、行走姿態產生器、輔助ZMP 控制
外文關鍵詞：	Biped Robot, Walking Pattern Generator, Auxiliary ZMP Control
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本論文旨在使用本實驗室先前所設計之雙足機器人的控制系統架構，加入前人所設計之力量感測器與姿態感測器，並實際運用於回授控制，實現雙足機器人步態穩定之閉迴路控制。首先在步態規劃方面，利用行走姿態產生器作為質心移動路徑之根據，取代前人質心移動軌跡之方式，結合擺線輪廓曲線法產生腳底板之跨步軌跡，並以Gazebo模擬器模擬兩者之可行性。在實作方面，建立完整之通訊橋梁，透過運用CAN匯流排傳送工業電腦PC104+所計算之各關節馬達控制命令至各馬達驅動控制器。感測器方面，以姿態感測器量測行進間之姿態變化，並回傳至工業電腦，以此作為閉迴路控制之依據；利用力量感測器解算雙足機器人之零矩合點，以作為判斷機器人穩定性之重要根據。最後運用輔助ZMP控制方法，測試雙足機器人下地行走之可行性及穩定性，並比較開迴路系統與閉迴路系統之行為。顯示出運用輔助ZMP之閉迴路控制系統對於雙足機器人步態之穩定性能夠有所提升。

This thesis aims to use the force sensors and attitude sensor to the previously built bipedal robotic control system to achieve the biped robot gait closed-loop feedback control. In gait planning, the walking pattern generator is used to generate the center of mass movement path instead of direct use of the center of mass movement developed previously. By combining the walking pattern generator and the stepping trajectory of the cycloidal profile, the walking control system is simulated in Gazebo to verify the feasibility. In the implementation, the CAN bus is used to transmit the position commands to each joint motor drive from an industrial computer PC104+. The attitude sensor is used to measure attitude changes during walking, and measured data is sent back to the industrial computer for feedback control. Force sensors are used to obtain the zero moment point of the biped robot, and it is an essential basis for evaluating the stability of the robot. Finally, the ability and stability of the biped robot walking on the ground are tested with the auxiliary ZMP control method. Performance comparison between the open loop control and closed-loop control is presented. It is shown that the stability of the gait of the biped robot is improved by the closed-loop system using the auxiliary ZMP control method.

摘要---I
Extend Abstract---II
誌謝---VIII
目錄---IX
圖目錄---XII
表目錄---XXI
第一章  緒論
1-1研究背景與動機---1-1
1-2研究目標---1-2
1-3研究方法及步驟---1-3
1-4相關文獻回顧---1-5
1-5本實驗室之相關成果---1-7
1-6論文結構---1-9
第二章  雙足機器人之硬體介紹
2-1前言---2-1
2-2雙足機器人機構介紹---2-2
2-3感測器硬體簡介---2-7
2-3-1六軸力感測器---2-7
2-3-2慣性感測器---2-11
2-3-3光學編碼器---2-14
2-4控制平台簡介---2-16
2-4-1PC/104+與嵌入式系統---2-16
2-4-2數位訊號處理器TMS320F2812---2-22
2-4-3PWM馬達驅動電路---2-26
第三章  雙足機器人行走姿態感測器
3-1前言---3-1
3-2六軸力規---3-1
3-2-1六軸力規解耦合運算---3-2
3-2-2六軸力規校正方法與實作---3-12
3-2-3新力規運算流程---3-16
3-3慣性感測器IMU---3-27
3-3-1感測器校正原理---3-27
3-3-2卡門濾波器---3-41
3-3-3姿態角計算程序---3-47
第四章  雙足機器人之步態規劃
4-1前言---4-1
4-2雙足機器人之步態規劃---4-1
4-2-1擺線輪廓曲線法---4-2
4-2-2零力矩點路徑規劃---4-5
4-3運動學計算流程---4-9
4-3-1Denavit-Hartenberg表示法---4-10
4-3-2雙足機器人之座標系與參數定義---4-17
4-3-3逆向運動學---4-22
4-4ZMP理論與計算---4-32
4-4-1六軸力感測器ZMP運算---4-33
4-4-2慣性量測單元ZMP運算---4-38
4-5結論---4-41
第五章  雙足機器人之步態平衡控制器設計與模擬
5-1前言---5-1
5-2行走姿態產生器---5-1
5-3輔助ZMP閉迴路控制---5-11
5-4雙足機器人之Gazebo軟體模擬---5-23
5-4-1 ROS與Gazebo之架構---5-23
5-4-2雙足機器人模擬結果---5-26
5-5結論---5-37
第六章  雙足機器人之實作與分析
6-1前言---6-1
6-2質心橫向移動無跨步運動---6-1
6-3質心移動單次跨步運動---6-8
6-4質心移動多步跨步運動---6-17
6-5質心移動多步跨步作動異常響應與分析---6-27
6-6結論---6-29
第七章  結論與未來展望
7-1結論---7-1
7-2未來展望---7-2
參考文獻---Ref-1
附錄---A-1


                                    

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