實驗環境介紹

在傾斜環境的建造上，基於行走輔助機器人本身的重量因素，所以我們採用 120X120X1.5 cm³的實心木板為材料來製作斜坡高台。在我們的設計裡，行走輔助機器 人必須根據環境傾斜程度的大小，主動提高馬達出力來補償因傾斜而造成的重力分力，

所以當重力分力大於機器人的系統最大出力時，行走輔助機器人將無法順利進行重力補 償。因此在斜坡高台的傾斜角度選擇上，必須要考慮到行走輔助機器人的硬體架構，包 括馬達的最大輸出轉矩、減速齒輪盒的減速比、輪半徑與馬達配置。我們所使用的全向 輪半徑為6 cm，直流馬達額定輸出轉矩為 0.11 Nm，減速齒輪盒的減速比為 14：1，因 此馬達的輸出轉矩為1.54 Nm，再透過力轉換矩陣 Mf可得知機器人中心點的最大出力為 88.9 Nt，而行走輔助機器人的質量為 44.6 Kg，則重力分力值小於 88.9 Nt 的角度範圍為 正負11.7 度。考慮到機器人的中心點出力，除了補償重力分力之外，還要進行基本的行 走輔助功能，因此我們選取4 度斜坡與 8 度斜坡做為我們的實驗環境。圖 4-10 為 4 度 斜坡實驗平台，圖4-11 為 8 度斜坡實驗平台。

圖4-10、4 度斜坡實驗平台

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圖4-11、8 度斜坡實驗平台 4.3.2 四度斜坡實驗結果

當在斜坡上進行外力估測時，若是不告知系統目前的系統重力分力為何，則當機器 人在上坡時，系統會將重力分力所產生的影響視為是另一個使用者在施力，因此若是不 進行重力補償，而使用者又想使系統有正確的反應，則必須施力大於此時的系統重力分 力。延續上一小節的實驗及參數設定，透過方程式(3-16)、(3-21)、(3-22)，行走輔助機 器人可以正確順應使用者的意向。圖4-12 為機器人沿著 Y 軸在 4 度斜坡上移動的實驗 結果。圖4-12(a)為行走輔助機器人中心點的馬達合力，由電流感測板所偵測出的馬達電 流所計算得知，圖4-12(b)為外力估測器所估測的使用者所施外力，我們將其視為使用者 的意向，圖 4-12(c)為由傾斜計估測出的機器人所受到的重力分力，圖 4-12(d)為由軸編 碼器估測出的機器人實際速度。實驗過程為使用者由平地出發，沿著機器人Y 軸開始移 動，在4.5 秒時到達 4 度斜坡，由圖 4-12(b)可以看出系統開始估測到重力的影響，而在 7.9 秒時離開斜坡到達水平高台，且在向前移動緩衝之後停在高台上。

由圖4-12(a)可以看到當機器人在斜坡上時，馬達出力提高以補償重力分力所造成的

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圖4-12、4 度斜坡實驗結果(a)機器人中心點馬達合力(b)使用者所施外力的估測值(c)重力 分力(d)系統速度

影響，而由圖4-12(b)(d)可以得知使用者在水平地面與 4 度斜坡上的出力並無太大變化，

且機器人的速度沒有受到斜坡的影響，這個現象符合我們最初的設計概念，讓使用者在 斜坡上操控機器人與在平地上的響應一致。在4 度斜坡上，行走輔助機器人所應承受的 重力分力為30.5Nt，遠小於系統的最大出力 88.9 Nt，因此我們讓使用者在 4 度斜坡上不 在施力，檢驗機器人是否如同在平地一般，當使用者不施加外力時，行走輔助機器人將 停留在原地。圖4-13 為 4 度斜坡上不施加外力之實驗結果，機器人在 15~25 秒間處於 4 度斜坡上。在17~23 秒這個區間，使用者不施加外力於機器人上，由圖 4-13(a)(b)可以 看出這時馬達的出力與估測器所估測到的外力都降低，而在圖4-13(d)可以得知機器人的 速度趨近於停止，此時會有微小的速度變化是因為系統處於動態平衡的狀態。圖4-14 為機器人停留在4 度斜坡上的照片。

在實驗環境中，斜坡的傾斜角度都保持為一固定值，但在圖4-12(b)與圖 4-13(b)中可以 看出重力補償系統所計算出的重力分力並非為一固定值，這是因為在機器人的基礎移動 平台上配置有懸吊系統。因此在移動的過程中，系統的重力分力會隨著懸吊系統的變化 而改變，而重力補償系統也會即時的感測當下機器人所受到的重力分力。

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圖4-13、4 度斜坡上不施加外力之實驗結果(a) 機器人中心點馬達合力(b)使用者所施外 力的估測值(c)重力分力(d)系統速度

圖4-14、實驗過程中機器人停留在 4 度斜坡上

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4.3.3 八度斜坡實驗結果

在本節裡，我們將行走輔助機器人的操作環境由4 度斜坡提升為 8 度斜坡，由於坡 度變陡，自然系統所受到的重力分力也自然增大。當行走輔助機器人操作在8 度斜坡上 時，此時機器人所應承受的重力分力為60.8Nt，小於系統的最大出力，因此機器人可以 在此斜坡上進行重力補償。圖4-15 為機器人沿著 Y 軸在 8 度斜坡由下往上移動的實驗 結果，以及與4 度斜坡實驗結果所進行的比較，圖中實線數值為 8 度斜坡，虛線數值為 4 度斜坡。由圖 4-15(a)(c)可以得知，機器人在 5~10 秒區間行進在 8 度斜坡上，而馬達 的出力為了補償重力分力的影響，很明顯的可以看出提高，而且馬達出力值最高已經超 出先前所計算的馬達出力最大值。但是即使是在這種情況下，由圖4-15(b)可以看出估測 器所估測出的外力值，亦即使用者所施予的推力，與4 度斜坡也差相彷彿，且由圖 4-15(d) 中可知兩者間的速度也差不多，由此可以驗證前一章節所設計重力補償控制確實可以完 成補償重力分力的目標，且可協助外力估測器分辨出真正的使用者意向。

圖4-15、8 度斜坡實驗結果(a) 機器人中心點馬達合力(b)使用者所施外力的估測值(c)重 力分力(d)系統速度

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接下來，我們將使用者在水平地面操控行走輔助機器人時的所施外力大小與系統速 度，與使用者在4 度斜坡與 8 度斜坡進行移動的實驗數據進行比較，圖 4-16 為使用者 所施外力與系統速度的數據比較結果。由圖中可以發現，兩個斜坡實驗所呈現的數據與 水平地面的數據非常相似，由圖4-16(a)中很難發現機器人在哪一個時間點已經進入傾斜 環境。而在圖4-16(b)中我們可以得知，當使用者所施的外力相似時，機器人的移動速度 也相似，且不會受到重力分力的影響。以上這些實驗數據驗證了我們所設計的傾斜環境 下之順應性控制，不只是能夠在模擬結果中估測出正確的所受外力值，在實際環境下，

也能夠達到我們所設定的目標，讓使用者在斜坡上也可以如同在平地上一般地操控行走 輔助機器人。

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圖4-16、平地與斜坡數據比較(a)使用者所施外力的估測值(b)系統速度

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適用性範圍，使其更具有實用性。

本論文所建構的行走輔助機器人在運動性能、操控性、安全性與傾斜環境適用性上 已經有了初步的整合，在未來發展上大致可分為兩個方面。其一為將目前的機器人視為 一個基礎的平台，並在其上搭載各種智慧型的功能，例如居家看護或是保安巡邏，讓行 走輔助機器人除了能夠協助使用者進行移動之外，也能在醫療、保全或是娛樂等方面給 予協助。另一方面則是持續改善現有的平台，譬如使用更高轉矩的馬達或減輕機器人的 重量使其能夠適用於更陡峭的斜坡，或是對控制方法進行改良，譬如採用閉回路控制的 順應性控制架構，藉此消除因機構製造上的不準確所產的誤差。除此之外，在行動輔助 方面上也有許多重要功能需要搭載在行走輔助機器人上，例如增加主動閃避環境中障礙 物的功能、感測環境資訊來提供系統定位與導航等。期望本論文所完成的行走輔助機器 人並不是一個完結，而是一個開始。

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