四足輪機器人之研究與製作

1. 四足輪機器人之研究與製作 姓名：李政豪 李茂嘉 學號：9971501999715034 班級：車輛三甲

2. 摘要 步行機器人的足數愈少愈不易平衡，然而足數過多則愈顯笨拙緩慢。折中的最佳選擇似乎是四足步行機器人。四足結構容易穩定平衡而且運動速度較快。四足步行機器人在適應地形環境、運動速度、攜帶負荷、控制技術及穩定性上都比二足步行機器人更具有優勢。四足機器人具有CMOS 影像感測器、紅外線感測器、超音波感測器、觸碰感測器、以及人體紅外線感測器來感測週遭環境的情況，使四足機器人具備環境感知及距離量測的能力。

3. 四足機器人系統架構 • 本計畫首先設計製作一能夠自動充電之四足機器人，並能自主規劃直線及轉彎步行步態。四足機器人的實體圖如圖1 所示。

4. 四足機器人系統架構 • 電池電力量測是設計自動充電功能的首要條件，由dsPIC30F6014 微控制器偵測電池電力，發現電力將不足夠，則通知dsPIC30F6010 主控制器進入充電模式。而在機器人的充電座上有裝設紅外線發射器，四足機器人能利用此紅外線發射訊號感測充電座的方向，使其能順利找到充電座並且坐下充電。除此之外，還有規劃四足機器人具備閃避障礙物能力，利用前方超音波感測器及身體左右兩方之紅外線感測模組來感測周圍環境的物體，進而閃避物體或障礙物。四足機器人的系統方塊圖如圖2 所示。

5. 四足機器人系統架構 • 四足機器人頭部裝有一個CMOS 影像感測器，作為測距與尋找障礙物之工具。裝設的CMOS 影像感測器型號為PAS106BCB-283，其實體如圖4

6. 四足機器人系統架構 • 四足機器人的階層式步行控制分為上層步態控制、中層姿態與軌跡控制以及最下層的位置伺服控制，並如圖3 所示。最高層的運動命令接收及解譯模組為操作者與機器人之溝通界面。上層的步態控制可細分為步態產生器及靜態穩定性判別及修正模組負責下達各腳底離地及著地時間順序及位置並維持機器人穩定不倒。中層的姿態與軌跡控制負責規劃四足及身體中心軌跡產生器、各足直接運動學與反運動學的計算以及各足位置與力量協調控制。最下層的伺服控制則負責控制各關節伺服馬達的位置。

7. 四輪移動機器人運動控制系統 • 本計畫同時設計製作一四輪之移動機器人，並能自主規劃直線及轉彎運動軌跡。四輪移動機器人的運動控制系統方塊圖如圖6 所示。運動指令的格式以二個英文字母為主，視需要再加上一個整術參數或？號。控制器每執行完一個指令均會傳回一個整數值RS232 的通訊格式為57600、N、8、1。

8. 四輪移動機器人運動控制系統 • 實驗結果 • 四足機器人之前進步態為波浪步態，完成一個完整的波浪步態需四個步驟，每一步驟只移動一隻腳，另外三隻腳則維持身體平衡，亦即身體之重心位置落在三隻腳所形成的三角形範圍內。四足機器人實際行走步態實驗結果如圖7 所示。此為一完整行走步態週期，每次步態週期約費時8 秒，每次前進距離約8 公分。轉彎步態為設定前腳向左轉彎角度為25 度，每次的轉彎週期約費時8 秒。四足機器人實際轉彎步態實驗結果如圖8 所示。

9. 四輪移動機器人運動控制系統 • 若由身體底部之右方紅外線接收器收到訊號，表示充電座位於四足機器人的右方位置，因此四足機器人會右轉前進充電。四足機器人右轉充電實際動作圖如圖9 所示。當四足機器人進入充電模式時，先利用爬行方式來搜尋充電座，若偵測到充電座，則會爬起並右轉行走到充電座充電。

10. 結論 • 本計畫完成一能夠自動充電之四足機器人，並能自主規劃直線及轉彎步行步態。四足機器人具有CMOS 影像感測器、紅外線感測器、超音波感測器、觸碰感測器、以及人體紅外線感測器來感測週遭環境的情況，使四足機器人具備環境感知及距離量測的能力。本計畫同時設計製作一四輪之移動機器人，並能自主規劃直線及轉彎運動軌跡。