第四章 實驗結果
4.3 行動輔助機器人之順應性控制模擬與實驗
4.3.1 行動輔助機器人之順應性控制模擬
在順應性控制模擬中，我們設定期望質量Md =diag(11,11,1.34)，單位為 kg 和 kg-m2，而期望阻尼為Dd = daig(36,36,4)，單位為 Nt⋅s/m 與(Nt⋅m)⋅s/rad，我們分別對三 方向施於一虛擬外力，並檢視其估測的外力大小及方向，以及機器人速度的反應。圖 4-13、圖 4-15、圖 4-17 分別對 X 軸、Y 軸、Z 軸施與一虛擬的外力，圖中的(a)(c)(e)為 虛擬的外力與估測出的結果圖，圖中的(b)(d)(f)為機器人的反應速度，我們可以發現在 無外力輸的入的情況下，機器人反應速度為零，若一外力輸入後，機器人會順應著外力 方向而移動或轉動。圖 4-14、圖 4-16、圖 4-18 分別為圖 4-13、圖 4-15、圖 4-17 模擬情 下的四個馬達電流結果，分別為圖中的(a)(b)(c)(d)，由於在無外力輸入下，機器人無移 動處於靜止平衡的狀態，因此馬達電流為零，反之，當外力輸入下，電流與轉速會先發 生變化，透過力估測器估測出力的大小並交由順應性控制器計算並給予相對應的速度命 令，因此機器人移動，馬達電流將不再為零。
圖 4-13、X 方向之順應性控制模擬
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圖 4-14、X 方向之順應性控制模擬的馬達電流結果
圖 4-15、Y 方向之順應性控制模擬
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圖 4-16、Y 方向之順應性控制模擬的馬達電流結果
圖 4-17、Z 方向之順應性控制模擬
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圖 4-18、Z 方向之順應性控制模擬的馬達電流結果 4.3.2 行動輔助機器人之順應性控制實驗
根據圖 2-15 所提的順應性控制架構，我們針對三方向做一順應性控制實驗，圖 4-19 為機器人的三方向的定義圖。在我們得到外力估測資訊後，我們透過順應性控制器，去 計算出相對應的速度命令，並對速度控制系統下達命令，使行動輔助機器人移動。在圖 4-20為使用行動輔助機器人的情況，使用者透過行動輔助機器人上的扶手攙扶並施予外 力。圖 4-21 到圖 4-26 為三方向的順應性控制實驗，其順應性控制器的參數設定，如式 (3-13)中的期望質量與期望阻尼係數我們先設定為Md =diag(10 ,10 ,0.6)，單位為 kg 和 kg-m2，Dd =diag(40 ,35 ,3.5)，單位為 Nt⋅s/m 與(Nt⋅m)⋅s/rad。圖 4-21 為當使用者透過扶 手對行動輔助機器人的 X 軸施予一外力時，X 軸的外力估測會估測出較大的輸入，如圖 4-21(a)(c)(e)所示，因此順應性控制器會計算出相對應的速度命令下達於速度控制系統，
使機器人會往此方向行走，圖 4-21(b)(d)(f)為機器人移動速度，由於施力的不均勻，故 Y 軸與 Z 軸並非全為零的外力輸入。圖 4-23 為使用者朝向 Y 軸施予一外力，如圖
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4-23(a)(c)(e)所示，此時機器人則主要著像 Y 軸所移動，其移動速度如圖 4-23(b)(e)(f)所 示。圖 4-25 為使用者對 Z 軸施予一轉矩，因此在圖 4-25(a)(c)(e)可發現估測結果在 Z 軸 產生一轉矩，因此透過順應性控制器在 Z 軸上計算出像對應的速度，使機器人旋轉，其 旋轉速度如圖 4-25(b)(e)(f)所示。圖 4-22、圖 4-24、圖 4-26 為三方向的順應性控制實驗 中，所量測到的馬達電流，在無外力施加時，馬達電流為零，在施加外力的瞬間，馬達 電流與轉速皆會發生變化，因此從外力估測器可以估測出施加的外力，而當外力消失 時，機器人會停止，此時電流亦降至為零。
圖 4-19、機器人實驗中方向定義圖
圖 4-20、行動輔助機器人的使用情形
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圖 4-21、X 方向的順應性控制實驗結果
圖 4-22、X 方向順應性控制實驗的馬達電流
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圖 4-23、Y 方向的順應性控制實驗結果
圖 4-24、Y 方向順應性控制實驗的馬達電流
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圖 4-25、Z 方向的順應性控制實驗結果
圖 4-26、Z 方向順應性控制實驗的馬達電流
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4.3.3 順應性控制器參數變化的影響
在上一章 3.2.2 節裡，我們提到在期望質量 Md與阻尼 Dd改變時將會改變行動輔助 機器人的順應性移動的性能，使機器人能夠滿足使用者的需求，因此我們針對這部分作 一實驗加以驗證，在實驗中我們將機器人的限速設定於最快每秒 0.4 公尺的移動速度，
由於目的是希望給予老年人使用，故將速度設限於每秒 0.4 公尺，而機器人依馬達能供 給的速度最快可達約每秒 2.5 公尺的速度。圖 4-27 為當期望質量 Md變化時，機器人反 應的變化，圖 4-27(a)、(c)為 Md =30下所估測到的施力與機器人反應速度，圖 4-27(b)、
(d)為 Md =44.6下所估測到的施力與機器人反應速度，在圖 4-27(a)、(b)我們可以發現輸 入的力大小相似，但所對應的反應速度卻有所不同，圖 4-27(d)速度爬升的較圖 4-27(c) 慢，而在使用者實驗推動時也可明顯發現機器人有變的較重的感覺，但當推到穩定速度 時，由於兩者的期望阻尼 Dd設定相同，因此推動起來就無太大差異。
圖 4-27、期望質量 Md的影響實驗
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第五章 結論與未來展望
本論文設計了一個以全向式移動平台為移動基礎的行動輔助機器人，利用移動平台 上馬達的電流與轉速去推算行動輔助機器人所受的外力大小及方向，當使用者施予行動 輔助機器人一外力時，機器人能夠順應著此外力方向移動並以外力大小改變移動速度，
以達成行動輔助的功能。
在行動輔助機器人的移動平台上考量到未來可增加自主式智慧行為與看護等功 能，因此採用主動式的行動輔助機器人，並利用四個全向輪所構成的全向式移動平台，
提高行動輔助機器人的機動性。為了提高行動輔助機器人在使用中的安全性，我們將行 動輔助機器人仿效成一被動式行動輔助機器人，亦即將主動式行動輔助機器人仿效成一 質量-阻尼模型，並透過所設計的期望質量與期望阻尼係數的調整來適應使用者在操作 上的需求，因此行動輔助機器人可以順應著使用者的推力大小及方向來移動。
在為了得知力的資訊，我們捨棄較昂貴且裝設較為複雜的力覺感測器，而採用低成 本且裝設簡單，只需量測馬達電流及轉速，並設計一外力估測器即可估測行動輔助機器 人的受力大小及方向。在模擬及最後實驗中可以呈現出，行動輔助機器人能夠估測出外 在受力並根據此受力大小及方向移動，完成行動輔助機器人的順應性控制。
本論文以行動輔助機器人設計為起頭，其研究以如何提供使用者行動輔助的功能為 主，但在行動輔助上還有許多問題上還需解決，例如行動輔助機器人供使用者做支撐 時、在斜坡上行走以及環境中障礙物的閃躲等問題，這些在未來可加裝額外的感測器來 感測環境資訊並解決上述之問題，而增加額外感測器可增加多種智慧型行為，以提供居 家照護，並提供更多的人機互動等功能，讓行動輔助機器人不僅僅可以提供使用者在移 動上的協助，在生活、娛樂及醫療上都能給予協助。
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