Responsive image
博碩士論文 etd-0802115-182253 詳細資訊
Title page for etd-0802115-182253
論文名稱
Title
仿人體單槓體操運動之模糊控制
Fuzzy Control of a Humanoid Robot for High Bar Gymnastics
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
103
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2015-07-28
繳交日期
Date of Submission
2015-09-03
關鍵字
Keywords
模糊控制、欠驅動控制、智能控制、機器人、盪高控制
Swing-up control, Intelligent control, Fuzzy control, Under-actuated control, Robots
統計
Statistics
本論文已被瀏覽 5650 次,被下載 268
The thesis/dissertation has been browsed 5650 times, has been downloaded 268 times.
中文摘要
如何將人類靈巧的操作技巧轉移至機器人的身上,以更有效地克服不確定與多變的系統參數影響,一直是建立機器人有著似人類智慧的關鍵課題。因此,一些典型的運動行為如行走、爬樓梯、跳躍、體操動作、甚至模仿人類情感等常常被選擇做為研究對象。本論文即經由觀察、分析、模糊控制器之設計、以及模擬與實驗,而著眼於單槓體操運動的實現。
透過觀察單槓體操之運動行為,可歸納出四個不同的運動階段,即擺盪(Swag)、盪高(Swing-up)、平衡(Balance)與低盪(Swing-down)。運用功能原理與力學定理之分析可充分掌握這些運動階段人體姿態之緣由。而四個獨立之模糊控制器分別操控這四個運動階段。至於究竟應使用哪一個模糊控制器,則由切換機制進行篩選。
為了單槓體操運動之實作,本文運用一個兩連桿機器人做為測試與示範。控制目標設定為此機器人必須能成功地完成包含四個運動階段之整個過程,且在平衡階段前之擺盪與盪高兩階段的總擺盪次數應小於二十。此外,連桿質量與連桿長度之不確定性也在單槓體操運動實驗中予以考慮。實驗結果一致地顯示出令人滿意的強韌性與控制效果。所提出的控制策略也成功地在二連桿機器人進行單槓體操運動中展現出有如人類般的操控智慧。
Abstract
How to transfer dexterously operational skills of humans to robots has been a key issue to establish human-like intelligence of robots to deal with uncertain and variable system parameters more effectively. Therefore, typical motion behaviors such as walking, taking the stairs, jumping, performing gymnastics, and even mimicking human emotion are always chosen for research targets. This thesis aims at realization of high-bar gymnastics through observation, analysis, design of fuzzy controllers, simulation and experiments.
Based on observation on motion behavior of high-bar gymnastics, four different motion stages including swag, swing-up, balance, and swing-down can be concluded. Analysis using the work-energy theorem and mechanics principles fully resolves the purpose of body posture in those stages. Four independent fuzzy controllers are designed for those four motion stages. Besides, a switching mechanism is employed to determine which fuzzy controller should be selected.
In order to implement the high-bar gymnastics, a two-link robot is applied for investigation and demonstration. The control goal is that the robot needs to successfully complete a cycle of those four stages and the total number of swing in the stages of swag and swing-up before balance has to be less than twenty. Furthermore, uncertainties in the link mass and the link length are also considered in the high-bar gymnastics experiments. Experimental results consistently demonstrate satisfactory robustness and control performance. The proposed control strategies successfully exhibit human-like intelligence on a two-link robot conducting high-bar gymnastics.
目次 Table of Contents
論文審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究方法與步驟 2
1.3文獻回顧 3
1.4論文架構 5
第二章 二連桿導數學模型 7
2.1單槓系統推導數學模型 7
2.2馬達參數鑑別 12
2.3單槓系統硬體架構 17
2.2.1控制器 20
2.2.2伺服馬達 21
2.2.3各部份零件參數 22
第三章 模糊理論及控制 25
3.1模糊集合 25
3.2模糊推論 28
3.3模糊化及解模糊化 30
第四章 單槓體操運動分析 33
4.1擺盪 34
4.2盪高 35
4.3平衡 36
4.4低盪 37
4.5單槓體操選手與單槓機構相異處 38
4.6單槓體操運動力學分析 42
第五章 設計模糊控制器 50
5.1分析與模糊控制 50
5.1.1擺盪分析與模糊設計 53
5.1.2盪高分析與模糊設計 57
5.1.3平衡分析與模糊設計 61
5.1.4低盪分析與模糊設計 65
5.2單槓控制系統架構 68
第六章 模擬與實驗結果 70
6.1電腦模擬 70
6.2單槓系統實驗 72
6.3分析物理意義 80
第七章 結論與未來規劃 87
參考文獻 89
參考文獻 References
[1] 林泓濱,模糊滑動控制使用適應性方法應用於倒單擺系統之研究,國立中央大學電機工程學系碩士論文,民國94年,pp.56~64。
[2] 陳冠佑,雙連桿垂直旋臂驅動式倒單擺系統控制,國立雲林科技大學電機工程系碩士論文,民國97年。
[3] K. J. Astrom and K. Furuta, “Swing Up a Pendulum by Energy Control,” Automatica, vol. 36, no.2 , 2000,pp.287-295.
[4] S. Kumar, Y. S. Sharma and N. Singh, “Optimal Control of Double Inverted Pendulum Using LQR Controller,” International Journal of Advanced Research in computer Science and Software Engineering,Vol. 2, Issue 2, Feb. 2012,pp.189-192.
[5] M. H. Smith, T. Zhang and W. A. Gruver, “Dynamic Fuzzy Control and System Stability for the Acrobot,” IEEE World Congress on Computational Intelligence, Vol.1, 1998, pp. 286-291.
[6] P. G. Grossimon, E. Barbieri, and S. Drakunov, “Sliding Mode Control of an Inverted Pendulum,” IEEE Proceeding of the Twenty-Eighth Southeastern Symposium, Mar. 1996,pp. 248-252.
[7] Y. S. Ltn, J. X. Qlan, A. K. Xue and J. H. Wang, “Simple Multi-PD Control Algorithm of Double Inverted Pendulum,”IEEE Control and Power Engineering ,Vol.3, Oct. 2002,pp. 1428-1431.
[8] R. M. Murray and J. Hauser, “A Case Study in Approximate Linearization:The Acrobot Example,” Pro American conference, 1990.
[9] M. W. Spong, “The Swing Up Control Problem for the Acrobot,” IEEE Control Systems Magazine, Feb. Vol. 15,no. 1,1995, pp. 49-55.
[10] K. Toshimitsu, K. Takayoshi, S. Satoshi, I. Masami and F. Katsuhisa, “Swing-Up and Balancing Control of Acrobot,” 41st SICE Annual Conference, Vol. 5,Aug. 2002, pp. 3072-3075.
[11] S. C. Brown and K. M. Passion, “Intelligent Control for an Acrobot,” Journal of Intelligent and Robotic Systems,Vol.18 ,1997,pp.209-248.
[12] 司徒達成,以模糊控制為基礎之盪鞦韆系統實現,國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文,民國100年。
[13] M. W. Spong, “Underactuated mechanical systems,” In B. Siciliano and K. P. Valavanis, editor, Control Problems in Robotics and Automation, Springer-Verlag, London, UK, Vol. 230, Jun. 2005,pp.135-150.
[14] 張碩、詹森,自動控制系統,鼎茂圖書,第七版,民國99年,pp.4-16~4-28。
[15] 林勇全,高倍頻編碼器之設計,南台科技大學電機工程研究所碩士學位論文,民國95年。
[16] L.A. Zadeh, “Fuzzy Sets, “Information and Control,” Vol. 8, 1965, pp. 338-353.
[17] 賴麒文,如何設計視窗介面的工具軟體使用BC++,文魁資訊股份有限公司,民國95年。
[18] 蔡孟凱、雷穎傑、黃昭維、陳錦輝、陳正凱,C++Builder6完全攻略,金禾資訊股份有限公司,民國90年。
[19] K. Harold, “Simulation of dynamic systems witch MATLAB and SIMULINK,” CRC Press, 2007。
電子全文 Fulltext
本電子全文僅授權使用者為學術研究之目的,進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。請遵守中華民國著作權法之相關規定,切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送,以免觸法。
論文使用權限 Thesis access permission:自定論文開放時間 user define
開放時間 Available:
校內 Campus: 已公開 available
校外 Off-campus: 已公開 available


紙本論文 Printed copies
紙本論文的公開資訊在102學年度以後相對較為完整。如果需要查詢101學年度以前的紙本論文公開資訊,請聯繫圖資處紙本論文服務櫃台。如有不便之處敬請見諒。
開放時間 available 已公開 available

QR Code