行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
四足輪機器人之研究與製作 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-047-
執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系
計 畫 主 持 人 ： 施慶隆
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：謝明達、林岱丰
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96 年 08 月 29 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
四足輪機器人之研究與製作
The Study and Development of a Quadruped Leg-wheel Robot
計畫編號：NSC 95-2221-E-011-047
執行期限：95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 主持人：施慶隆 臺灣科技大學電機工程系
計畫參與人員：謝明達、林岱丰 臺灣科技大學電機工程系
一、中文摘要
本研究目標為發展具有輪子及機械腳 雙重優點之四足機器人，在平坦地面時可 快速前進及轉彎，也可克服上下階梯及崎 嶇路面。在平坦地面時機器人以輪子移動 方式前進，在崎嶇地形環境則自動改用多 足步行方式前進。本計畫完成一能夠自動 充電之四足機器人，並能自主規劃直線及 轉彎步行步態。四足機器人具有 CMOS 影像 感測器、紅外線感測器、超音波感測器、
觸碰感測器、以及人體紅外線感測器來感 測週遭環境的情況，使四足機器人具備環 境感知及距離量測的能力。本計畫同時設 計製作一四輪之移動機器人，並能自主規 劃直線及轉彎運動軌跡。由於受限於經費 及時間不足尚未能整合足部與輪子兩者於 一體。
關鍵詞：四足步行機器人、多餘自由度系 統、CMOS 影像處理
Abstract
The purpose of this research project is to study and develop a quadruped robot such that it can move fast in a floor surface and up/down stairs slowly. In the floor surface, it can easily move itself with wheels and automatically change to legged locomotion and walk through rough terrain when necessary. A quadruped robot has been designed, which has autonomous straight and turning gait planning function, and can charge itself automatically when necessary.
The robot equipped with various sensors, such as CMOS vision sensor, infra-red sensors, ultra-sonic sensors, touch sensors to detect the walking environment as well as distance between an object and itself. A
4-wheel driven mobile robot has also implemented and tested with forward/backward and turning motion. Due to the research budget and time constraints, the quadruped robot and 4-wheel robot has not yet integrated together.
Keywords: quadruped walking robot, redundant system, image processing
二、緣由與目的
常見的機器人移動方式計有履帶型、
輪型以及機械腳等 3 種移動方式。履帶型 的移動機構通常用於需要強調底部穩定性 及攜帶大負荷的情況，例如軍事用途以及 建築土木工地等。以自主性的智慧型機器 人而言較適合使用輪型或機械腳的移動方 式。國內外過去在機器人的移動機構上大 都都是採取輪子或者多足的結構。雖然使 用輪型的移動機器人比使用機械腳的步行 機器人在控制技術上相對比較成熟以及簡 單很多，但是輪型機器人通常無法通過非 平坦的地形環境。因為多足步行機器人相 對上有較高的機動性，因此多足步行機器 人一直是機器人研究領域中的一個熱門主 題。尤其人類的生活環境大都是根據人類 的身體構造所設計的，因為也間接促成二 足的人形機器人的蓬勃發展。但是二足步 行機器人需要有良好的協調控制來增加穩 定性，而且當人形機器人自由度越高，則 其設計與控制就越複雜困難。
步行機器人的足數愈少愈不易平衡，
然而足數過多則愈顯笨拙緩慢。折中的最 佳選擇似乎是四足步行機器人。四足結構 容易穩定平衡而且運動速度較快，例如自 然界中健步如飛的動物大都是四足的動 物。四足步行機器人在適應地形環境、運
動速度、攜帶負荷、控制技術及穩定性上 都比二足步行機器人更具有優勢。日本東 京理工學院 Hirose 教授長期研究四足步行 機器人，並開發出商用四足步行機器人 TITAN VIII [1,2]。美國也曾大力的軍事及 太空用途之四足步行機器人，例如俄亥俄 州立大學開發出給美國陸軍使用的 ASV [3]
以及卡耐基大學開發出外太空探險用的 AMBLER 四足步行機器人。
本計畫之目標為研究發展同時具有輪 子及機械腳雙重優點之四足機器人，在平 坦地面時快速前進與轉彎，也可克服上下 階梯及崎嶇路面。足底加裝輪子之四足機 器人同時具有輪型穩定快速移動以及步行 崎嶇路面的優點。在平坦地面時以輪型移 動方式前進，在崎嶇地形環境則自動改用 足步行方式前進。四足輪機器人為具有容 錯性的多餘自由度複雜系統，即使一支腳 或部分關節故障亦能行動。足輪的移動機 構出現於市面上少數的兒童玩具以及特殊 的軍事及外太空機器人，但在學術研究 上，國內外僅有非常少數的四足輪機器人 研究報告[4,5,6]。本計畫之四足輪機器人與 同時使用輪子與機械足之移動機器人略有 差不多(例如馬車或人力三輪車之結構)，它 們的設計通常以節省人力為目的，並常被 使用於建築工地或農地，其速度比不上輪 型移動為機器人，在適應地形環境上也輸 給多足步行機器人。
三、研究內容
3.1 四足機器人系統架構
本計畫首先設計製作一能夠自動充電 之四足機器人，並能自主規劃直線及轉彎 步行步態。四足機器人的實體圖如圖 1 所 示。四足機器人的核心控制系統由微控制 器 dsPIC30F6014 及 dsPIC30F6010 所組 成。四足機器人的感測元件具有 CMOS 影像 感測器、紅外線感測器、超音波感測器、
觸碰感測器、以及人體紅外線感測器來感 測週遭環境的情況，使四足機器人具備環 境感知的能力。電池電力量測是設計自動 充電功能的首要條件，由 dsPIC30F6014 微 控制器偵測電池電力，發現電力將不足 夠，則通知 dsPIC30F6010 主控制器進入充
電模式。而在機器人的充電座上有裝設紅 外線發射器，四足機器人能利用此紅外線 發射訊號感測充電座的方向，使其能順利 找到充電座並且坐下充電。除此之外，還 有規劃四足機器人具備閃避障礙物能力，
利用前方超音波感測器及身體左右兩方之 紅外線感測模組來感測周圍環境的物體，
進而閃避物體或障礙物。四足機器人的系 統方塊圖如圖 2 所示。
圖 1 四足機器人實體圖
FPGA / Nios CMOS
sensor
dsPIC30F6014
dsPIC30F6010
12 servo motors
ultrasonic sensors Infra-red sensors
Force sensors
pwm x 12 I2C RS232
D I ADC
I2C
圖 2 四足機器人系統方塊圖
四足機器人的階層式步行控制分為上 層步態控制、中層姿態與軌跡控制以及最 下層的位置伺服控制，並如圖 3 所示。最 高層的運動命令接收及解譯模組為操作者 與機器人之溝通界面。上層的步態控制可 細分為步態產生器及靜態穩定性判別及修 正模組負責下達各腳底離地及著地時間順 序及位置並維持機器人穩定不倒。中層的 姿態與軌跡控制負責規劃四足及身體中心 軌跡產生器、各足直接運動學與反運動學 的計算以及各足位置與力量協調控制。最 下層的伺服控制則負責控制各關節伺服馬 達的位置。
計算各足直接運動學及反運動學 步態產生器
靜態穩定性判別
四足及身驅中心軌跡產生器
馬達位置伺服控制 運動命令接收及解譯
上層步態控制
中層姿態與軌跡控制
下層伺服控制
圖 3 四足機器人步行控制軟體架構
3.2 視覺系統
四足機器人頭部裝有一個 CMOS 影像 感測器，作為測距與尋找障礙物之工具。
本計畫之影像測距目標為利用影像資訊量 測機器人與球之間的距離，然後再控制機 器人移動到球的前方執行踢球的動作。影 像訊號處理所需的硬體設備採用 Altera 公 司所生產的 Nios2 發展板 Stratix Edition，
以此發展板來完成，其中包含影像擷取、
影像處理。裝設的 CMOS 影像感測器型號 為 PAS106BCB-283，其實體如圖 4 所示。
CMOS 影像感測器會將拍攝到的影像，經 由 PXD<9>~PXD<0>接腳依序將影像中每 個像素的 R、G、B 值送出，而水平同步訊 號(HSYNC)與垂直同步訊號(VSYNC)接腳 輸出的訊號是用來判斷目前 PXD 所輸出的 像素位置。HSYNC 為每一列的致能命令，
當列訊號為低準位狀態時，此區間內的像 素為 364 PXCLK，尚須濾除前後共 8 個 PXCLK 才是影像的有效值。
圖 4 PAS106BCB-283 CMOS 影像感測器
擷取到的 CMOS 影像感測器影像儲存至 NIOS2 處理器的記憶體，以供 NIOS2 做一連 串的影像處理。影像處理流程依序為影像 灰階化、中值濾波、影像二值化、影像膨 脹、影像收縮、影像標籤化、影像分離。
影像分離後即可得知標籤物與球之下邊緣 在影像y軸的pixel位置(plabel與pball)，根
據 plabel 可 推 算 出 目 前 距 離 - 像 素 曲 線
(distance-pixel curve)在像素軸之偏移 量(Δp)，將 Δp 加上 pball代入距離-像素 曲線，即可計算出機器人與球之間的距 離。命令機器人呈屈身姿態，如圖 5 所示，
h為機器人腰部至地面之高度、s為機器人 腰部至攝影機之距離、θ 為地平面垂直線 與相機鏡頭之夾角，pixels代表影像 y 軸 像素值。由圖 4 可知，就相同的影像 y 軸 像素值a而言，當θ較小時，影像y軸像 素位置 a 會拍到較遠的距離，當 θ 較大 時，影像 y 軸像素位置 a 會拍到較近的距 離。
圖 5 CMOS 影像的拍攝角度
3.3 四輪移動機器人運動控制系統
本計畫同時設計製作一四輪之移動機 器人，並能自主規劃直線及轉彎運動軌 跡。四輪移動機器人的運動控制系統方塊 圖如圖 6 所示。運動指令的格式以二個英 文字母為主，視需要再加上一個整術參數 或？號。控制器每執行完一個指令均會傳 回一個整數值 RS232 的通訊格式為 57600、N、8、1。
PID控制器 PWM 限制器
直流馬達1 及驅動器 位置
軌跡 限制器 +
_
X Xcmd
PID控制器 PWM 限制器
直流馬達2 + 及驅動器
_
Y Ycmd
PID控制器 PWM 限制器
直流馬達3 + 及驅動器
_
Z Zcmd
PID控制器 PWM 限制器
直流馬達4 + 及驅動器
_
U Ucmd
位置 軌跡 限制器
位置 軌跡 限制器
位置 軌跡 限制器
圖 6 四輪移動機器人運動控制系統
3.4 實驗結果
四足機器人之前進步態為波浪步態，
完成一個完整的波浪步態需四個步驟，每 一步驟只移動一隻腳，另外三隻腳則維持 身體平衡，亦即身體之重心位置落在三隻 腳所形成的三角形範圍內。四足機器人實 際行走步態實驗結果如圖 7 所示。此為一 完整行走步態週期，每次步態週期約費時 8 秒，每次前進距離約 8 公分。轉彎步態為 設定前腳向左轉彎角度為 25 度，每次的轉 彎週期約費時 8 秒。四足機器人實際轉彎 步態實驗結果如圖 8 所示。
圖 7 四足機器人直線行進實驗結果
圖 8 四足機器人轉彎行進實驗結果
若由身體底部之右方紅外線接收器收 到訊號，表示充電座位於四足機器人的右 方位置，因此四足機器人會右轉前進充 電。四足機器人右轉充電實際動作圖如圖 9 所示。當四足機器人進入充電模式時，先 利用爬行方式來搜尋充電座，若偵測到充 電座，則會爬起並右轉行走到充電座充電。
圖 9 四足機器人自動充電實驗結果
接著進行利用 CMOS 影像資訊來量測機 器人與球之間的距離實驗。單一張 CMOS 影像處理的實驗結果如圖 10 所示。然後取 得多組球的影像處理結果，我們便可使用 Matlab’s curve fitting 函數來近似機器人與 球之間的距函數離 D (如圖 11 所示)為
P
P e
e
D=171.7 −0.017 +461.7 −0.0035 其中其中 P 為球 中心點的縱軸座標值。
圖 10 CMOS 影像處理的實驗結果
圖 11 CMOS 影像測距函數的實驗結果
四、結論
本計畫完成一能夠自動充電之四足機 器人，並能自主規劃直線及轉彎步行步 態。四足機器人具有 CMOS 影像感測器、紅 外線感測器、超音波感測器、觸碰感測器、
以及人體紅外線感測器來感測週遭環境的 情況，使四足機器人具備環境感知及距離 量測的能力。本計畫同時設計製作一四輪 之移動機器人，並能自主規劃直線及轉彎 運動軌跡。由於受限於經費及時間不足尚 未能整合足部與輪子兩者於一體。
五、參考文獻
[1] S. Hirose, “A Study of Design and Control of a Quadruped Walking Vehicle,” Inter. Journal of Robotics Research, Vol. 3, No. 2, pp. 113-133, 1984.
[2] K. Arikawa and S. Hirose, “Development of Quadruped Walking Robot TITAN VIII,” Proc.
Inter. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp.
208-214, 1996.
[3] S.M. Song and K.J. Waldron, Machines That Walk: The Adaptive Suspension Vehicle, Cambridge, MA: MIT Press, 1989.
[4] G. Endo and S. Hirose, “Study on Roller-Walk
(System Integration and Basic Experiments),”
Proc. IEEE Inter. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2032-2037, 1999.
[5] H. Adachi, N. Koyachi, T. Arai, A. Shimuzu, and Y. Nogami, “Mechanism and Control of a Leg-wheel Robot Hybrid Mobile Robot,” Proc.
IEEE/RSJ Inter. Conf. Robotics and Automation, pp. 402-409, 1999.
[6] C. Grand, F. BenAmar, F. Plumet and Ph.
Bidaud, “Decoupled Control of Posture and Trajectory of the Hybrid Wheel-legged Robot Hylos,” Proc. IEEE Inter. Conf. on Robotics and Automation, pp. 5111-5116, 2004.
6
附件：封面格式
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 四足輪機器人之研究與製作 ※
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計畫類別：＊個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－011－047－
執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日
計畫主持人：施慶隆 共同主持人：
計畫參與人員：謝明達、林岱丰
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：臺灣科技大學 電機工程系
中 華 民 國 96 年 08 月 30 日
