雙足機器人踝髖關節控制之站立姿擾動模擬

第三章用 IPM 以及 IPFM 個別對踝關節以及髖關節穩定策略做了有效的 展示，但實際的雙足機器人動態並非理想的單擺模型所能取代，尤其 IPFM，

實際機器人上軀幹的躬身動作無法等效於圓盤轉動，因此直接對髖關節使用 bang-bang 控制並不符合現實需求。

本文設計了一部雙足的半身機器人系統，此機器人結構主要分為不完整 的上軀幹和完整的下肢，而為了強調髖關節的控制模式，因此鎖定了膝關節，

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如此該雙足機器人可簡單視為上下連桿，而非如 IPFM 那般下連桿配一個上 圓盤。而本文的穩定策略分析是從 IPFM 導出而來，全域穩定控制轉換到關 節空間控制的模式也是循的 bang-bang 控制的概念衍伸出來的，因此需要驗 證如此控制模式在雙連稈系統下是否有良好的控制效果。

圖 5.13 是本文設計的雙足半身機器人系統，膝關節已鎖定，局部座標配 置也依 5.1.3 節的方式重新調整。干擾外力由三角波決定，作用時間 0.2 秒，

沿水平方向作用在上軀幹的質心處，模擬中所施加的干擾外力所做之功如圖 5.14 所示。

圖 5.13. 本文所用以模擬的雙足半身機器人結構。

𝑐_{𝑡𝑜𝑟𝑠𝑜} 𝜃_ℎ

𝜃_𝑎

𝑙_{𝑡𝑜𝑟𝑠𝑜}

𝑐_𝑙𝑒𝑔 𝑙_𝑙𝑒𝑔

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圖 5.14. 三角波形式之水平向干擾外力

依第四章所建構的控制架構對此設計之雙足機器人半身系統進行推動干擾 的恢復穩定控制，機器人系統的物理參數以及控制器參數如表 5.1 中所示。

表 5.1. 雙足半身式機器人結構參數及控制器參數

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圖 5.15. 套淺藍色底區域為踝關節策略下的控制軌跡；淺黃色區域為髖關節 策略下的控制軌跡。髖關節區域中的軌跡可見能一定程度的避免機器人傾倒，

踝關節策略下的抗擾程度最大達 22.6 Ns；而髖節策略下的抗擾程度可增達 23.14 Ns。

圖 5.16(a)和(b)分別為踝關節策略和髖關節策略在其各自最大擾動極限 值 22.6 Ns 及 23.14 Ns 下的軌道能量和足底板受力位置。在各關節策略下的 擾動上界都會使 CoP 達到預設極值，意即踝關節馬達皆達到最大操作扭矩。

ICP 控制器作用下可見 ICP 被抑制在 CoP 後方，即便超出踝關節控制策略邊 界，在髖關節扭矩驅動下也可將機器人導回穩定狀態。雖然 ICP 離穩定上界 還有一段安全距離，畢竟機構的設計以及致動器的規格皆會影響控制的效果 表現。

圖 5.17 分別為踝關節策略和髖關節策略在其各自最大擾動極限值 22.6 Ns 及 23.14 Ns 下踝關節和髖關節狀態的各項資訊。圖 5.17(e)和(f)為踝關節 和髖關節策略間切換的轉換閥值，定義其踝關節策略下賦值 1，髖關節策略

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啟發時賦值 0。 機器人在擾動時關節策略控制下的 CoM 位置和 CoM 速度 如圖 5.18 所示。其關節扭矩的導出受上軀幹虛擬扭矩作用轉換而來，相應 的虛擬扭矩顯示於圖 5.19。

(a)

(b)

圖 5.16. 擾動 22.6 Ns(a)和擾動 23.14 Ns(b)下的實際 ICP、CoP、x 軸向的 CoM 位置以及經過 ICP 控制器計算出來的預設 CoP。

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圖 5.17. (a)、(c)為擾動極值 22.6Ns 下踝關節策略控制的關節扭矩、角度位置；

(b)、(d)為擾動極值 23.14Ns 下踝關節策略控制的關節扭矩、角度位置。(e)、

(f)為自訂的關節策略切換閥值，1 表踝關節策略，0 表切換至髖關節策略，

用以檢視當前狀態。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

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圖 5.18. (a)為擾動極值 22.6Ns 下踝關節策略控制的機器人 x 軸向的 CoM 位 置和 CoM 速度；(b)為擾動極值 23.14Ns 下踝關節策略控制的機器人 x 軸向 的 CoM 位置和 CoM 速度。

(a) (b)

圖 5.19. 作用在上軀幹的虛擬扭矩，(a)和(b)非 別為擾動極 值 22.6Ns 和 23.14Ns 下踝關節及踝-髖關節控制策略下的情形。

由 SimMechanics 模擬器中立體視覺化動作的節圖如圖 5.20：

(a) (b)

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(a)

(b) 圖 5.20. (a)為踝關節策略下的恢復過程。(b)為髖關節策略下的恢復過程。

5.3 小結

雙足半身式機器人通過踝-髖關節穩定策略並由 VMC 達成踝關節和髖關 節的致動，有效達到站立姿機器人面對擾動時的穩定恢復。就前面的各項數 據來看，踝關節穩定策略下的抗擾動極值為 22.6 Ns，而踝-髖關節穩定策略 下的抗擾動極值為 23.14 Ns，其抗擾能力成長幅度為 2.38%，此顯示了 IPFM 下導出的關節策略能有效使人型機器人對抗外來擾動。

針對前面的數值可以發現髖關節並沒有發揮到最大操作扭矩，且髖關節 最大轉動角度也並沒有繞轉到預設的可動最大轉角，這兩項因素限制了踝-髖關節策略下的抗擾動能力，也許控制器參數並非一組最佳值，當然，控制 策略上的 ICP 閥值也是影響策略切換的因素之一，這都是可再調整的部分。

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