具腰关节四足机器人其对称步态之设计-国立虎尾科技大学.pdf

國立虎尾科技大學學報 第三十二卷第一期 （民國一百零三年六月）：1-12 具腰關節四足機器人其對稱步態之設計 謝昌穎 1* 季永炤 2 1*國立虎尾科技大學自動化工程所 研究生 2 國立虎尾科技大學自動化工程系 副教授 摘 要 本研究針對具腰關節四足機器人進行其步態之設計。本文首先探討適合腰關節運動特性之步態，以 使用快步步態為基礎發展具腰關節四足機器人之對稱步態。本文亦討論並定義適當之座標系統以利運動 學之計算，同時加入限制條件以簡化因增加腰部運動關節使反運動學產生贅餘度的問題，並在快步步態 中加入二個四隻腳在地之狀態以改善穩定性與工作空間重疊的問題。再者分析因腰關節運動的影響而產 生之足部工作空間偏移問題而進行補償，並利用此特性於增加行進之步幅。最後藉由軟體 LabVIEW建立 足型機器人之模型，分析本研究提出之步態的穩定性與有效性。 關鍵詞：四足機器人、腰關節、快步步態、工作空間 *聯繫作者：國立虎尾科技大學自動化系，雲林縣虎尾鎮文化路 64 號。 Tel: +886-0930858945 Fax: +886-5-6314486 E-mail:gm.nfu.edu.tw 1 國立虎尾科技大學學報 第三十二卷第一期 （民國一百零三年六月）：1-12 在過去，有許多研究集中在對爬行步態(Crawl 壹、簡介 Gait)[6~8]之分析與應用，爬行步態為靜態穩定與 現今的移動式載具機器人主要可分為輪型機 低速行走之最佳步態，此步態在同一期間最少有三 器人與足型機器人，其中輪型機器人具有易於控 隻腳與地面接觸而形成一支撐面，在行走過程中重 制、機動性高、和機構簡單等優點，但是對於地面 心始終保持在支撐三角形內而維持靜態穩定，但是 的適應性受到輪子直徑影響，只能在平坦的地面運 其抬腳順序不利於腰關節特性之發揮。而本研究選 動，相較之下足型機器人其控制較困難、機構較複 用快步步態(Trot Gait)為具有腰部運動關節之運動 雜、且必需考慮機體之穩定性，但是對於地面的適 步態，因為其抬腳順序較為合適，但此步態只適合 應性較好，能行走於較複雜之地形。足型機器人依 快速行走。一般之爬行或波浪步態皆不具對稱性， 足數來分，有單足到多足，足數多寡會影響其穩定 因此造成須有一明確之啟始步態狀態與終止狀態 性，越少越不穩定，越多則運動控制越複雜，以一 而影響其轉換之平滑性，當慢速行走時已有相關研 次抬一隻腳的情況而言，四足機器人具有最少足數 究[9] 、[10] ，其提出由快步步態平滑轉換到爬行步 即能夠滿足三隻腳在地而構成一穩定支持平面之 態之研究。所以本研究以快步步態為基礎，發展腰 基本平衡要求，因此，本研究採用運動控制較為簡 關節四足機器人具有對稱性之步態，並探討因增加 單之四足機器人運動系統為研究之目標。 腰部之運動關節致所能增加之有效步幅(stride) ，並 四足機器人的研究，大多以單剛體(rigid-body) 以 LabVIEW 模擬而驗證其性能。 為主，但這類的研究跟動物有一個主要的差異，動 貳、座標系統與模型 物會利用腰關節而可使行走更快且更穩定。目前已 有少數具有腰關節的機器人被開發出來如： 本章節將分成兩小節，在第一小節定義腰