1.1 研究動機與目的
近年來，機器人領域各相關技術之發展相當蓬勃，舉凡機構設計、運動規劃 與控制、驅動伺服控制、影像視覺技術、環境辨識感知技術、互動學習系統、嵌 入式系統晶片開發、整合系統設計研製等各方面，都有許多學者提出有效的方法。
由於機器人的各項功能及動作都互有關聯，各項技術之整合設計將是機器人研究 最重要的一環。
綜觀現今之各型機器人，最適合與人類一起生活的應該是人形機器人，因為 其動作近似人類，關節自由度高因此靈活度高，與現有工作環境容易配合，與人 類互動也最無隔閡。但是，從大多數的機器人來看，很多並不像人的形狀，有的 甚至沒有一點人的模樣，這也讓很多機器人愛好者大失所望。其實，研發出外觀 和功能都與人相同的機器人一直是科學家們夢寐以求的願望，也是他們努力不懈 追求的目標。人形機器人就是以建造與人類相同軀體架構為目標，希望製造像人 類一樣雙足直立行走。而以人形架構為設計主軸的機器人，則以日本各大企業之 研發成果最為豐碩，如 Honda 公司的 ASIMO 機器人[1]，以及 Fujitsu 公司的 HOAP‐1 機器人[2]，以及 SONY 公司的 QRIO 機器人[3] 都是相當成功的研究。此 外，日本工業技術綜合研究所和清水建設公司共同開發建築機器人「HRP‐2P」[4]，
此機器人身長和體重與真人差不多，能和人一起搬運建材之類的重物，也會與人 合作固定螺栓。而為了使人形機器人在人類的環境中能夠自由行動適應環境，雙 足的步行是很重要的課題，同時為了平衡也須付出相當大的努力。為了使機器人 在未知的環境中移動，必須具備足夠的環境偵測能力，在遇到障礙物或目標物時 能隨時自我反應。因此，機器人本身所具有的感測器的種類與性能便決定了機器 人對外界的辨識能力。
人形機器人顧名思義為一具有類似人類的外型與功能的機器人，在人形機器
人的發展中，分為人形雙足機器人以及上半身擬人形但下半身為一移動平台的結 構兩大方向。上半身擬人形而下半身為一移動平台的結構通常具有頭部與手部的 擬人形構造，而在下半身則為一具輪式的移動平台，此類型的人形機器人的結構 設計多數著重於模仿人類頭部與雙眼方面的研究以及透過雙臂進行互動工作 [5][6]。而在另一方面，人形雙足機器人的研究亦有多年的歷史，研究初期多著 重在雙足的步行控制，屬於多自由度的連桿運動機構，並且對於機構自由度的設 計安排也有所探討[7][8]，而後探討上半身與下半身的協調控制。如日本早稻田 大學至今已完成十多具人形雙足機器人的原型機以及步行實驗，且日本 HONDA 公司在 1998 年公開發表其人形雙足機器人 P2[9]的研究成果後，許多著名日本大 學如東京大學、名古屋大學、東京技術學院、京都大學等也不遺餘力在研究自己 的人形雙足機器人，直到現今的 HONDA 公司的 ASIMO[1]和早稻田大學的 WABIAN‐2[10]等也都有不錯的成果。
在眾多種類的機器人當中以雙足機器人的移動方式最近似於人類，關節自由 度多因此靈活度高，最容易與現有人類的生活空間與工作環境相配合，適合於幫 助人類與人類一同工作。
1.2 相關研究回顧
在雙足機器人步行的部分，由於一個穩定且可依賴的步行是最重要的基本理 念，然而對於雙足機器人的腳部所具備的多自由度則是一個相當大的難題，而這 樣的運動問題可以從以下 2 個方向做探討。
首先是連續步行軌跡的產生。一般雙足機器人的雙足步行運動被劃分為 2 種 運動模式，分別為靜態步行(static walking)與動態步行(dynamic walking)2 種 [11][12][13]，靜態步行是發生在雙足步行機器人以較低速運動時，忽略了機器人 本身慣性的存在，持續保持機器人的重心投影落於腳底所形成的支撐多邊形上，
控制方式較為單純，分析也較容易。而動態步行則是發生在較高速運動時，此時
系統的重心投影並不一定要落在腳底所形成的支撐多邊形上，其維持平衡的方法 是透過複雜控制系統，精確控制步行速度、加速度及作用力矩等，如零力矩點 (ZMP)理論，使 ZMP 落於腳底支撐多邊形內。大部分在採用 ZMP 理論規劃動態 軌跡之時都是離線進行運算，並設定好已知的機器人模型與環境條件[9][14]，因 此主要適用於固定的環境，機體專用性高，而後開始有人將 ZMP 軌跡運算採用 線上的即時運算方式加入[15][16][17]。
另一方面，則是針對控制器進行設計，首先是由動態方程式來設計機器人運 動控制器[18][19]，在實行上會使用到較高的運算資源，也需要設定精確的機器 人模型。為了簡化控制器，許多人提出了使用倒單擺模型控制來穩定步行[9][20]，
有效性也受到證實。
爾後根據生物學上對人類步行的研究指出了人類的步行其實是根據有韻律 與周期性的內在步行動作與反射式的動作組合而成[21]。在這典型的步行環境中，
這種已設定好直接輸出的周期性軌跡是必要的，而加上反射式的動作，則可以如 同人類的神經系統一般，針對感測器輸入產生快速且局部性的反應，用來應付突 發性的狀況，像是不預期的外力與不理想的地形等[22][23][24][25]，更進一步利 用反射的方式直接進行腳踝的調整[24][25]，使機器人得以保持平衡，跨越過不 平地面或是斜坡，使控制逐漸朝向更接近人類的方式邁進。
1.3 問題描述
對於一具有步行移動功能的雙足機器人而言，首要的問題便是在於如何在環 境中進行平穩的步行，而真實環境通常不是完美的，加上雙足機器人本身所具備 的高自由度，在動作規劃與平衡維持上更顯重要。尤其要使雙足機器人運動方式 可以接近人類，在自由度的安排與數量選擇上，將是一個重要的考量。
而當雙足機器人開始步行後，可能會遭遇到不在原本規劃之內的情形，尤其 是當環境中具有不理想的地形或不預期的障礙物時，使用固定模式的步行將不足
以完成任務，因此要如何利用自身的感測系統來察覺，並對於察覺到的環境情報 來加以判斷，使機器人得知目前的處境是必要的。因此，如何設置足夠多的感測 器來進行對外在環境的感知便是一個考量。
而當雙足機器人的感測系統感測到外界情報並進行處理後，機器人本身則必 須要能夠對不同類型的障礙物產生出適當的反應，使自身不因受到外界環境的影 響而導致傾倒等危險，並繼續完成原有之動作。而針對刺激產生反應的控制器就 是設計的重點所在。
因此，本篇論文希望能夠設計一套具備適當自由度的雙足機器人移動平台，
其本身可以藉由規畫好的軌跡來進行步行運動，也可以在遭遇不在預期中的障礙 物時，由感測系統感知，而後交由補償控制器進行修正，以使得障礙物的影響降 到最低，讓雙足機器人可以繼續完成動作。
而為了使設計出的雙足機器人更類似於人類，吾人採用了如同人類的反射動 作般直覺的補償控制器設計，並且以類似人類腳底皮膚觸覺的壓力感測器作為感 測系統，以感測器所感測到的資訊來做為雙足機器人在環境中行走時對於不在預 期中之不平地形進行步伐補償之依據。期望能使雙足機器人的行走更加平穩順 暢。
而在補償的方式上，吾人藉由觀察人類的腳步於踩到障礙物時的反應，會產 生腳踝對地面的姿態適應，因此將補償朝向此種方式設計，且配合反射動作的方 式設計補償，與使用演算法完全重新計算動作相比，可以節省許多計算量，並且 得到較快速的反應。
1.4 系統架構
圖 1.1，為本論文所設計的系統架構，主要分為 2 個主要區塊：步行軌跡產 生器(Walking pattern generator)與補償器(Compensator)，其中每個主要區塊尚包 含 3 至 4 個步驟。而此系統架構及是描述我們如何經由使用者的輸入，產生可用
user
Walking pattern generator command
+
Compensator
Biped robot
Sensor information Biped
walking controller