六足機器人超入門簡介

六足機構原理
足部的機構設計
Serial 機構
 parallel 機構
工作空間的考量

足部機構設計
昆蟲單足的腿部構造

足部機構設計
一隻可以達到腳 6 DOF
機構設計必須考慮單足的自由度 ( 簡化 )
 自由度的多寡會影響工作空間的大小及靈活性
機構設計必須考慮工作空間的大小

足部 serial 機構設計
單足 1 個自由度的設計
 即使是 1 DOF ，靈活性還是很好

上階梯的動作分解

 脛節機構變弧形狀

脛節機構的改變使得工作空間變大

 調整足部個各環節的長度及形加工作空間狀增

足部 parallel 機構設計
平行機構

足部 parallel 機構設計
 DMP Hexapod Robotics

足部機構設計
Parallel 機構的特性
 腿節長度 (L) 會因為部的高度腳 (H) 而變化
 不用轉動脛節馬達的情形下，角度 (β) 會因為
腿節的位置而變化
 腿節的動作可以帶動脛帶的動作
L
H
β

足部機構設計
Serial 機構的特性
 腿節長度 (L) 是固定的
 角度 (β) 需要脛節馬達的帶動才會變化
 腿節與脛帶的動作是獨立的
L
β

足部機構設計
下列以 DMP Hexapod 示範
 腿節長度由短變長
 腿節的動作帶動脛帶的動作
 只轉動腿節的馬達，脛節的馬達是不動的
 足部夾角由小變大

足部機構設計
這顆馬達
是沒有動
作的
只會轉動
這顆馬
達

足部機構設計
Parallel 機構腿節長度不固定
 加六足機器人運動學計算的難度增

足部機構設計
Parallel 機構腿節的動作可以帶動脛帶的動作
 可以考慮脛節少負載一個馬達
 編輯六足機器人的歩行變得容易
 編輯動作可以不用考慮脛節馬達的位置

足部機構設計
Parallel 機構工作空間的受限
 腿部的位置會影響脛部的工作空間
 脛節馬達轉動的角度大於 180 度

足部機構設計
 脛節馬達轉動的角度約 100 度

足部機構設計
 腿部的工作空間會受 parallel 機構影響
 脛節馬達轉動的角度約 120 度

Parallel vs. Serial
Parallel 機構 Serial 機構
工作空間較小較大
動作編輯容易較難
運動學計算較繁瑣困難較直接簡單

電控系統架構
Communication network
…Controller 1 Controller 2 Controller N
Sensor modulesMotor modules
Motor I/O interface / Sensor interface
Mechanism

Controller
控制器應該備些條件俱哪
強大的計算能力
支援各種馬達、感測器介面
容易擴充新的 I/O
方便易上手的程式開發環境
豐富的軟硬體及文件資源
開放平台

Servo motor
馬達應該備些條件俱哪
快速響應
高力扭
高速
高精度
具有迴授 ( 電流、轉速、位置… ) 功能

Servo motor
RoBoard servo
 RS-0263
 Size: 32.4 (mm) x 12 (mm) x 28.4 (mm)
 Stall torque: 1.8 kg-cm (4.8V), 2.5 kg-cm (6.0V)
 沒有 feedback 功能
 RS-1270
 Size: 40.4 (mm) x 20.15 (mm) x 40.3 (mm)
 Torque force: 35.0 kg-cm@7.4V
 沒有 feedback 功能

Sensor
機器人需要些感測器哪
加速度計 (G-sensor)
電子羅盤 (Compass)
陀螺儀 (Gyroscope)
超音波感測器 (Ultrasonic sensor)
力感測器 (force sensor)
…

Sensor
加速度計及電子羅盤
 6-axis RoBoard RM-G144
加速度計、電子羅盤及陀螺儀
9-axis RoBoard RM-G146

Sensor
超音波感測器
 SRF-08
 SRF-10

Sensor
力感測器
 Torgue sensor

Mechanism
機構設計應該有些特性哪
剛性
模組化
容易生產 / 製造
容易組裝
高靈巧性的工作空間 !!!

單足抬放腳腳
Step 1 : 的位置在空中腳
Step 2 ~ 3 : 與地面接觸滑行腳
1
32

單足抬放腳腳 ( 圖示 )

態類型步
Tripod 態步
Wave (Metachronal) 態步
Ripple 態步

Tripod Gait
三足同的方式步
 (L1,R2,L3) -> (R1,L2,R3) -> (L1,R2,L3) -> …
 轉移的時間較短步徏
 行進的速度較快

Wave Gait
單足行進的方式
 L3 -> L2 -> L1 -> R3 -> R2 -> R1 -> L3 -> …
 轉移的時間較長步徏
 行進的速度較慢

Ripple Gait
單足行進的方式
 L3 -> R1 -> L2 -> R3 -> L1 -> R2 -> L3 -> …
 轉移的時間較長步徏
 行進的速度較慢

程式架構
Initial
End
Update state
Play action
Get inputExit
?
main
programming

程式架構
roboio_SetRBVer(RB_100);
if(rcservo_SetServos(usedchannel, RCSERVO_DMP_RS0263) == false){
printf("Set servo fails!%sn",roboio_GetErrMsg());
return -1;
}
if(rcservo_Initialize(usedchannel) == false){
printf("RC servo initialize fails!%sn",roboio_GetErrMsg());
return -1;
}
rcservo_Close();
i2c_Close();
return 0;
Init state
End state

程式架構
Init state
 做初始化的設定 ( 包含 servo, sensor,…)
End state
 結束的設定 ( 包含 servo, sensor, …)

程式架構
c = -key[KEY_UP];
c = c | -(key[KEY_LEFT]<<1);
c = c | -(key[KEY_RIGHT]<<2);
c = c | -(key[KEY_DOWN]<<3);
c = c | -(key[KEY_SPACE]<<4);
switch(c){
case 1: STATE = FORWARD; break;
case 2: STATE = LEFTWARD; break;
case 4: STATE = RIGHTWARD; break;
case 8: STATE = BACKWARD; break;
case 16:STATE = EXIT; break;
default: STATE = IDLE; break;
}
 Get input state

程式架構
 Get input state
 接收各個 state 的輸入
 鍵盤
 加速度計
 超音波感測器
 …

程式架構
while(STATE != EXIT){
GetInput();
switch(STATE){
case FORWARD:
case BACKWARD:
case RIGHTWARD:
case LEFTWARD:
PlayMotion(); break;
case IDLE: Idle(); break;
case BALANCE: Stable(); break;
default: break;
}
}
 Update state & play action state

程式架構
Update state
 更新機器人目前的 state
 根據目前的 state 立即呼叫對應的 function
Play action state
 依據目前的 state 驅動馬達做相對應的動作

程式架構
六足機器人編輯動作的做法
 記、編輯六隻各個動作的錄腳 frame
 Play 個每 frame 完成機器人的動作
圖示 Tripod 態的步 frame

程式架構
六足機器人編輯動作優缺點
 Tripod 態容易實現步
 Ripple 及 Wave 態動作編輯較困難步
 不易控制身體的姿態
 較難控制身體的平衡

程式架構
六足機器人運動學的做法
 設定隻移動的位置每腳
 根據不同的位置，計算隻運動的軌跡每腳
六足機器人運動學的優缺點
 各種態容易實現步
 可以控制身體的姿態
 可以控制身體的平衡
 運動學的計算較困難實作

程式架構
DMP 六足機器人現場 demo

程式架構
關於運動學的實作部分
留到進階篇再做詳細明說留到進階篇再做詳細明說

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