臺灣博碩士論文加值系統

摘 要

本論文將目標放在小型四足機器人之研究發展，並嘗試將嵌入式單板電腦與CPLD電路版結合，並利用電腦平行埠當作兩者之間的通訊介面，而成為四足機器人的主控架構。高階控制演算法由主控電腦負責，而低階硬體裝置控制訊號由CPLD電路版負責，而整個四足機器人硬體架構是由十二個關節馬達組成，整個系統設計目標能夠使此機器人之各項行動有高度的自由度，同時具備多元化的功能。目前機器人已可經由網際網路下達指令，可做到前行，後退，左右轉，跪下等幾個基本動作。影響機器人設計因素，主要包括馬達選用，機構設計，電力系統及電腦與電路版之間的通訊及協調等。
本文希望能藉由實際製造四足機器人，學習及累積相關的技術及經驗，為本實驗室未來發展家庭自動化移動式平台作為前置研究及具體實現。

The focus of this work is on the research and development of small-scale four-leg robots and attempt to combine Embedded Single Board Computers and CPLD circuit board as the primary framework of four-leg robots. The communication interface is implemented by the computer parallel ports.

High level control algorithm is performed by Main Computer, and the control signal of low level hardware device is controlled by the CPLD circuit board. The hardware architecture of the four-leg robots is composed of twelve Joint motor. The goal of the design is aimed at achieving high degree of freedom on movement and variation.

Currently, the robot can be controlled through Internet to move forward and backward, turn left and right, knee and some fundamental movement. Critical factors which determine the design of the robot include motors, mechanical design, electrical system, communication between computers, etc.

The project fulfils the design and verification of a real robot. Some essential technologies and knowledge are learned through the process. It is taken as a pre-study and experiment for the mobile platform of home automation in the future.

第一章　緒論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1

1-1 研究動機‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1

1-2 研究目的‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 3

1-3 內容大綱‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 4

第二章　四足機器人系統架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5

2-1四足機器人系統軟硬體系統架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5

2-2四足機器人系統軟體架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 7

2-3 RTLinux作業系統介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 9

2-4 RTLinux作業系統架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 10

2-5機器人硬體架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12

第三章 LPT傳輸研究及應用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16

3-1 LPT介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16

3-2 電腦平行埠原理及規格介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17

3-3 LPTSOCKET使用目的‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19

3-4 LPTSOCKET寫入程序‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20

3-5 LPTSOCKET讀出程序‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20

3-6 程式架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22

3-7 CPLD LPTSOCKET軟體架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23

3-8 主控電腦LPTSOCKET軟體架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 24

第四章 四足機器人關節馬達之控制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

4-1直流伺服馬達介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

4-2 TOSHIBA TA7291P 直流馬達驅IC‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 27

4-3 伺服機簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30

4-4伺服機放大電路‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32

4-5伺服機VHDL程式架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33

4-6關節馬達控制策略‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35

4-7 PID定位控制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35

第五章 四足機器人運動學‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 37

5-1機器人運動學簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37

5-2逆向運動學‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37

5-3逆向運動學程式架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39

第六章 四足機器人步態演算法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 43

6-1四足機器人步態介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 43

6-2四足機器人步態最佳化‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 44

6-3基本四足機器人步態位置定義‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 47

6-4 四足機器人之前進步態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

6-5 四足機器人之倒退步態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49

6-7 四足機器人之蹲下步態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50

第七章 四足機器人行走試驗‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 51

7-1前進步態測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

7-2倒退步態測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52

7-3蹲下姿勢測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

第八章 結論及未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 56

8-1結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

8-2未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59

參考文獻‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61

參 考 文 獻

[1] 張道弘，“PID 控制理論與實務”，全華科技圖書股份有限公司,1995.。
[2] 唐佩忠，“VHDL與數位邏輯設計”，第四版，高立圖書，2002.。
[3] 陳連春，“小型馬達控制用IC”，修訂版，建興出版社，1991。
[4] 白中和，“圖解類比IC大全”，初版，建興出版社，1999.。
[5] H.Temeltas, G.M. Asher,“Real time identification of robot dynamic parameters using parallel processing”, IEE Proceedings - Control Theory and Applications -- July 1995 -- Volume 142, Issue 4, p. 369-377
[6] R. Prajoux ,F. Martins,“A walk supervisor Architecture for autonomous Four-Legged robots embedding real-time decision-Making”, Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and. Systems, Osaka, Japan, pp. 200–207 (1996)
[7] 曾國師，方煒，“四足機器人行走之研究”， 九十二年度農業機械與生物機電論文發表會。8 月 29-30日，台北。中華民國。
[8] Aria Alasty, Bayandor Sadeghian Borujeni ,“Optimal Gaits Generation of a 4-Legged Walking Robot”, Proceeding of 2003 IEEE Conference on Control Applications, Volume:1,23-25 June 2003, Pages:664-668 vol.1.
[9] Keno Young Yi “Walking of a Biped robot with Compliant Ankle Joints : Implementation With KUBCA”, Proceedings of the 39th IEEE. Conference on Decision and Control. Sydney,
Australia December,2000. pp. 4809–4814.
[10] S.Galt, T.Kalyvas “AI Solutions for Semi-Autonomous Legged Robots”,IEE Colloquium on Information Technology for Climbing and Walking Robots,1997. pp. 9/1-9/4,
[11] G. Muscato,“Soft computing techniques for the control of walking robots”,Computing & Control Engineering Journal, August 1998.
[12] Zafer Bingul,“Windows-based Robot Simulation Tools”, Seventh International Conference on Control,Automation, Robotics and Vision (ICARCV’02),Dec 2002, Singapore.
[13] S.Galt, B.L. Luk,“Smooth and efficient Walking Motions and control for An 8-Legged Robot”,UKACC International Conference on CONTROL,1998,1-4 September.
[14] 劉佳芳，“以VHDL研製直流馬達轉速控制晶片”，元智大學電機研究所碩士論文，2004。
[15] 王仁華，“以CPLD為基礎實現直流馬達位置控制系統”， 元智大學電機研究所碩士論文，2005,6。
[16] 黃啟育，“模組化4+2 足步行機械步態規劃”，中山大學機械研究所碩士論文。 2001,6。
[17] 顏坤明，“家用機器人之語音辨識系統”，交通大學電機與控制研究所碩士論文。2002,7。
[18] 晉茂林，“機器人學”，五南圖書出版公司，初版 2001年。
[19] Peter Menzel,Faith D’Aluisio,林文源 譯，“機器人的進化-人工智慧與機器人學的新紀元”，商周出版:城邦文化發行，2002,5,10初版。
[20] Santos, P. G., M. A. Jimenez. And M. A. Armada,“Dynamic Effects in Statically Stable Walking Machines”,Journal of Intelligent and Robotic Systems ,1998. Vol.23,No 1, pp. 71- 85.