2006全国自动化科技研讨会论文格式-建国科技大学.DOCVIP

雙足機器人運動學分析與步態規劃 Kinematics Analysis and Gait Planning of a Biped Robot 蔣祥第 蔣志德 黃琳元 建國科技大學 機械工程系暨製造科技研究所 E-mail: chiang@ctu.edu.tw 摘要 本論文研究目的，主要藉由一步行機器人平台分析其運動特性，並由步行模式與步行週期，規劃足部各關節運動軌跡。對於步行機器人建構相關連桿座標系統，探討其機器結構，以D-H變換矩陣為基礎，順向運動學討論以腳板為基座，尋得各關節旋轉角變換至髖關節位置及方向之關係，續以逆向運動學代數解討論由腳板至髖關節之位置及方向和各關節旋轉角在空間中之一般關係。接著討論機器人步行運動模式，分析比較靜態步行與動態步行之不同，分別做出步行週期規劃，並以擺線規劃模擬運動軌跡。最後藉由步行機器人實際步行影像擷取，與理論上各關節運動軌跡相比較，再與人類行走軌跡比較。 關鍵詞：、、、Abstract The purpose of this research is to investigate the kinematics behavior of a biped robot and program motion trajectory of each foot joints through discussion of various walking types and walking gait cycles. The linkage frame system is first established to construct its mechanical structure. Then, base on Denavit-Hartenberg transformation, the relationship transferred form joint rotation angles to the position and orientation of the hip joint is obtained by forward kinematics. On the other hand, once the position and orientation of the hip in 3-dimensional space is obtained, a nonlinear algebraic solution of each joint rotation angle will be developed by inverse kinematics. The static walking and dynamic walking types are thereafter compared and analyzed to program suitable walking gait cycle. Trajectory planning method is required to achieve smooth walking through a cycloid spline interpolation. Finally, the Bioloid biped robot is programmed to walk smoothly and generate each joint movement trajectory, compared with cycloid spline and human walking. Keywords: Biped robot, robot kinematics, walking planning, trajectory planning 前言 機器手臂之運動學，以順向運動學及逆向運動學分別來討論手臂連桿變數(包含各關節旋轉角與平移軸Denavit–Hartenberg齊次轉換矩陣表示[1]。逆向運動學則分封閉式解(closed form solution)與數值解(numerical solution)，因數值解須一再重複計算，較不常使用[2]。封閉式解又有幾何解(geometric solution)與代數解(algebraic solution)。幾何解將空間幾何分解成數個平面幾何問題[3,4]，代數解則難以將機器手臂系統化以封閉法分析，常設計具相鄰三關節軸相交一點特性以求其解，故今日工業機器手臂均以此法解之[5,6]。 步行機器人結構較為複雜，且無軸固定於地面或桌上，以往研究多集中於幾何解[7,8,9,10]，亦即由現成位置求出關節軸與直行軸解，[11]藉由固定腳跟座標與方向簡化，但幾何解需遷就於現成機械結構，且立體運動不易分析。亦有以類神經網路[17,18,19]以立方多項式曲線補間法