Design of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Platform

本論文主要探討一種新型的輪腳混合運動平台(leg-wheel hybrid platform，並命名為Quattroped)之研發，該平台同時具有輪型平台以及足式平台的功能，使其在平地時可如同一般四輪驅動車輛以四輪模式行進，發揮輪型載具快速省能的運動特性。而在面臨如自然環境、障礙物、或階梯等崎嶇地貌時則可切換至四足模式，藉由較高自由度肢足間之協調以穿越障礙地形。相較於其他輪腳混合平台同時具有輪以及足兩套機構，此平台研發一項獨特的輪腳變形機構，透過對輪腳部分幾何形狀之主動控制，來進行輪子(一個全圓外框)與兩自由度的腳(兩個半圓形的腳)之切換，使平台同時具有四輪以及四足的驅動模式。本論文針對完成建構平台所需的各個部份進行介紹，包括了平與輪腳機構的概念設計到實體設計、機電系統、軟體架構、與系統整合，並針對輪與腳雙模式運作進行初期的實驗驗證。This thesis is focused on the development of a novel leg-wheel hybrid mobile platform named "Quattroped". The platform is capable of moving like a wheeled platform as well as a legged one.In the wheel mode, the locomotion behavior of this platform is similar to that of a normal 4-wheel-driven vehicle which can run fast and efficiently on the flat terrain. In contrast, the legged mode is superior in crossing various uneven terrains (such as rough ground, obstacles, stair, and etc) via coordination of four high degree-of-freedom (DOF) legs. Comparing to most hybrid platforms which have separate mechanisms of wheels and legs, this robot is implemented with a transformation mechanism which directly changes the morphology of wheels (i.e. a full circle) into two DOF legs (i.e. combining two half-circles as a leg). Various aspects of details required to construct the platform are introduced, including conceptual design, mechanism design, mechatronics, software infrastructure, and system integration. In addition, some experiment results are also reported to verify the validity of design of this platform.口試委員審定書 II謝 III 文 摘 要 IV 文 摘 要 V 目 錄 IX 目 錄 XII一章 緒論 1.1 研究動機 1.2 輪腳複合式運動平台簡介與文獻回顧 2.3 論文貢獻與論文架構 9二章 輪腳雙模式運動平台設計 10.1設計考量 10.2雙模式運動平台QUATTROPED設計概念 12.3 運動規劃 14.3.1四輪模式運動規劃 14.3.2四足模式運動規劃 16.4 四足基本模型建立 19三章 機構設計 22.1雙主動自由度機構設計 22.1.1雙自由度髖關節 22.1.2雙自由度傳動系統 23.1.3軸承配置 25.1.4差速驅動 26.2輪腳變形機構的設計 27.2.1輪與腳的變形機構 27.2.2玻璃纖維製半圓形輪框 28.2.3半圓輪框旋轉關節設計 30.3切換裝置設計 31.3.1切換開關與接頭 31.3.2腳部定位設計 32.3.3輪腳切換模式 33.4轉向機構設計 34.5整體配置 35四章機電系統 40.1 感測器 40.1.1 馬達編碼器 40.1.2 電流感測器與電壓感測電路 40.1.3 磁力感測器 41.1.4溫度感測器 41.2 馬達選擇 42.3嵌入式控制系統 43.4 直流馬達與RC伺服機控制系統 44.4.1 DC馬達控制系統 44.4.2 RC伺服機控制系統 47.5電力系統 48.5.1電池 48.5.2電源分配 49.6機電系統架構 51五章 實驗結果 54.1執行軟體與人機介面 54.2校正初始位置模式之實機操作 56.3輪腳切換模式之實機操作 57.4 四輪模式之實機操作 59.5四足模式之實機操作 60六章 結論與未來展望 62 考 文 獻 63錄一：MAXON ENCODER MR, TYPE L, 500 CPT 228452 67錄二：MAXON RE 30 60W 310007 68錄三：PLANETARY GEARHEAD GP 32 C 166938 6