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多足式機器人智慧行為控制系統 課程名稱：運動控制概論 學生姓名：郭逸宏 班 級：控晶四乙 學 號：4982c064 授課教師：王明賢 老師 摘要 　　研究在於建構以5足式機器人之自主機器人系統作為概念式智慧行為控制系統工作研究之平台。首先探討5足式機器人之自由度與機構之運動，並以SolidWork進行系統打樣與拘束檢測，以建構其基本操作之運動步態。 　　研究根據設計分析之結果實際製作一測試用之模型，以BS2晶片為主控制器對其進行系統模式之運作測試，行為模組有通訊、視覺、運動、與背景偵測等，透過以行為基之高層控制平台對5足機器人進行監視控制與性能分析。本研究印證一包含一概念層之5層式系統工作架構與其應用於五足式機器人之控制系統之可行性。 簡介 　　機器人之運動機構結構有甚多之類型，早期為求其於自動化工場內之實用性、控制性、與載重能力，皆是以輪型機構以自走車之方式來運動。對於人為設計之工廠環境中，機器人運作於平坦且固定之路線，以輪型為運動機構自有其優勢。但於現今機器人之發展已不再以規劃完整之工廠內之應用為主而期待其能進到半人工或自然之環境中運作，輪型自走式機器人顯然遇到很多的挑戰。 　　除了以轉輪為運動機構之自走車之方式外，機器人之運動方式可有以振動方式的機構設計[1]，亦即無足之方式，但其不具泛用之機能。另一方面，生物經過數億年之演化而發展出之足行生物機構則非常適合於各種不同之環境與狀況下從事行進、爬行、跑步、跳躍、與翻滾等各項動作，因此，近年來足行式機器人之運動機構成為設計自走式機器人之主要型式。 多足機器人 　　5足機器人之系統設計五足式之機器人主要是以具任意方向之平等性(directional homogeneous)為其運動機構之主要概念，由於其結構可以使其以較簡單之控制即可達到動態不穩定之運動方式，因此其較三足式與四足式易於控制，可以簡單地達到較高速之運動，而其等方性使其運動之產生更為靈活。 　　研究所設計之機器人其機構結構打樣如圖1所示，其每隻腳具有3個自由度，而裝置於五邊型之機體上，每隻腳之間的方向間隔為72度。機器人各次系統控制板與無線通訊模組以共用匯流排之架構方式置放於機艙中(如圖2)。 多足機器人 　　頂層環境感知系統結構如圖3所示，其中包括有立體視覺物件追蹤系統、超音波環境偵測系統、類比光感測系統，這些環境感知系統是在於對各行為模組提供輸入之資料，供其產生控制行為。這些行為之間是以容括式(subsumption)予以連結，對於某些運動行為更可以並行處理(多處理器架構)但可分享資訊，例如物件標定(locate object)與運動不直接耦合，但是可以加入到運動模組之參數或命令。 自主式機器人 　　研究中自主式機器人之控制系統架構將採取五層式架構：概念層(conceptual layer)、行為層(behavior layer)、動作層(locomotion layer)、運動層(motion layer)、與伺服層(servo layer)，而另有一以個人電腦所建構之人機介面監控系統。 　　概念層在於產生狀態控制之各種參數與變數，行為層為直接由感測系統之輸入加上內部狀態變數所產生對系統的輸出，行為層之輸入有遠端控制命令、感測系統之資訊與狀態變數，其中內部狀態包含三種主要狀態：產生狀態、執行狀態、與復原狀態，而各狀態亦分成數個次狀態，用以控制系統之即時性。 行為層 　　行為層亦為系統整合層，其負責對下層之各控制晶片與感測器從事訊號轉換、資料蒐集儲存、工作協調與介面整合之工作，其以並行行為式控制架構(Behavior-based Control Architecture)為其軟體系統架構，各模組間透過程式之架構來決定若有競爭關係時之輸出主控權，亦即對資料匯流排之主控制權。其優點為可以輕易的增加行為模組而不須要對程式作大修改，缺點為架構不易。由概念層所產BS2S1133HM55視覺超音波生之參變數將送至行為層，而行為層亦會將行為參數回饋至概念層。 動作層 　　動作層為由運動參數之資料庫與協調性運動之產生法則所構成，將所須執行之行為模式命令轉為運動命令表單，而將其傳送至運動層其中行走引擎(Walking Engine)。行走引擎之主要工作為對機器人之各足其於行進中運動學方程式之運算執行，並附有擴充之串列式快閃記憶體做為資料儲存用。此系統架構可參考圖4。 歩態設計 　　歩態設計機器人之足數愈多，則其步態愈複雜，要從其中分析出其適當之步態為一繁雜之工作，而步態之控制亦隨足數之增加而複雜，因此，對足形機器人而言，步態之設計甚為重要。機器人足部機構基本上為一以極座標為主之運動機構，其由3個旋轉關節(接頭)與3支肢體以T-R-R之方式組合而成(見圖5)，T接頭之一端接合於機體上。以R-R機構組成一平面