林沛群 副教授, 國立台灣大學 機械工程學系
進行機器人的初步設計時，會期望能以單一控制核心來達到整體機器人的運動控制，以簡化動力鏈以及周邊電路的設計。除此之外，由於運動控制的需求，移動機器人的控制系統必須有精準且穩定的時脈，因此在選擇上通常是以具備即時運算（Real-time，RT）能力的控制核心為主，並期望核心控制器具有整合的I/O介面以進行輸出入訊號輸的交換，和致動器以及感測器相配合來達到的運動控制目標。
六足機器人的開發可概略的區分為硬體和軟體兩個不同的面向，硬體部份包含了結構、機構、致動器、感測器、與控制核心等以組成系統，而軟體部分則對應到機器人從低階的馬達控制到高階的行為模式開發，在整體開發過程中進行機械、機電、資訊等多領域的整合。
林沛群 副教授 - 國立台灣大學 機械工程學系
鄒亞成 研究生 - 國立台灣大學 機械工程學系
游崴舜 研究生 - 國立台灣大學 機械工程學系
人造發明的輪提供了在平坦地面上高速度高效率且穩定的移動，而動物則演化出以腳的型態在自然未經改變的崎嶇地形上悠遊，展現機動與越障的能力。不可否認的，環境中必然存在些崎嶇度，或許將環境打造成全面性的無障礙空間是一個選擇（是否應該如此改變地球外貌？），但從另一個角度切入，師法自然，探討開發非輪式的載具或許為另一個可行之道，因而衍生出開發足式機器人的動機。承襲之前在美國讀書時經由美國國防部高等研究計劃局（DARPA）經費支援所開發出的六足機器人RHex為架構，重新設計而成具整合性更高的六足實驗平台（如圖1所示），以探討各式地形和所需步態間的對應關係。六足機器人最大的優勢在於天生具有的穩定性，如昆蟲常以高速的三腳步態（Tripod gait）運動，可輕易的將重心落於支撐足所形成的三角形中達到穩定，另外，也因為足數較高，能夠協同產生出許多不同類型的步態以適應需求。
六足機器人的開發可概略的區分為硬體和軟體兩個不同的面向，硬體部份包含了結構、機構、致動器、感測器、與控制核心等以組成系統，而軟體部分則對應到機器人從低階的馬達控制到高階的行為模式開發，在整體開發過程中進行機械、機電、資訊等多領域的整合。一般而言，結構、機構、與感測器的選用取決於應用目的的不同而有不同的客製化設計。但致動器與控制核心等則在大多數的情況下可以共用，程式整合所感測到的訊號來進行適當的演算，再傳遞到致動器產生運動。因此，進行機器人的初步設計時，會期望能以單一控制核心來達到整體機器人的運動控制，以簡化動力鏈以及周邊電路的設計。除此之外，由於運動控制的需求，移動機器人的控制系統必須有精準且穩定的時脈，因此在選擇上通常是以具備即時運算（Real-time，RT）能力的控制核心為主，並期望核心控制器具有整合的I/O介面以進行輸出入訊號輸的交換，和致動器以及感測器相配合來達到的運動控制目標。針對這個RHex-style六足機器人，致動器選用DC直流馬達，而感應器則包涵了編碼器、霍爾效應感應器、慣質量測系統、傾斜儀、紅外線距離感應器、電壓電流量測、以及溫度感應器等各式感應器，部分作為機器人感知環境的來源，部分作為本身系統狀態的監控。在程式架構端，則以完整的狀態機（state machine）機制作為整體調控的基準，整合訊號並運算出適當的步態，達到預期所想要的運動模式。
基於上述需求，NI的Single-board RIO （sbRIO）系列便是控制核心的第一人選，具有RT端的運算，也有110個DI/O供使用。除此之外，sbRIO也具有數項適合移動機器人的特色，如低耗電功率能有效提昇持續運轉的時間；如大範圍的供應電壓範圍容許了平台使用時電源電壓的變異，不致造成控制核心的不穩定；如內建的可程式化邏輯陣列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）則提供了建構更高速控制迴圈的可能性：如倚賴sbRIO上的乙太網路介面和搭配的無線路由器，來建立起與遠端使用者間的溝通。另外，所提供的三組可和CompactRIO module擴充卡連接的插槽，則保留了需要連接其他新型態機電介面的可行性，具有高度的彈性。圖2則概略繪製出這個RHex-style六足機器人上的機電系統架構。
機器人步態的開發，在硬體端建置完成後，關鍵便在於步態控制程式的撰寫，sbRIO使用LabVIEW軟體為程式語言，以圖形化介面方式進行程式的撰寫，讓使用者能清楚瞭解資料傳遞步驟，利於上手且完成整個運作流程的編程，透過Front Panel中內建的控制元件、顯示元件、以及圖形等工具，方便完成清楚適合的人機控制介面。如圖3所示，六足機器人可以選擇直接在Front Panel操控或用和遠端筆電相連接的無線搖桿來控制程式，再經share variable與機器人上RT端的主程式溝通。
此RHex-style機器人在體型上比RHex略小，保持機構上簡單的特色，每足僅用一顆馬達控制，運動軌跡包含了低速旋轉區和高速旋轉區，以確保三腳步態時於任何時間下均有三隻腳朝向地面，保持行走狀態，並在兩速區間加入緩衝區使軌跡速度變化較為平滑。經由簡易調整軌跡中的各個參數與六足間的相對軌跡，可以控制行走速度，與達到不同的行走表現如後退、轉彎、原地自轉、和爬上斜坡等各種行為模式，如圖4所示。
除上述步態之外，為了發揮足式機器人能克服障礙地形的能力，也開發了越障的步態，以透過觀察和學習蟑螂越障行為的方式，找出適合於機器人越障的步態協調方法，控制中操作質心以越過障礙，並且，以紅外線距離感測器與傾斜儀的感測資訊，來達到(i)偵測前方障礙、(ii)判斷障礙高度、(iii)自動軌跡生成、(iv)表現穩定越障行為等需求，來達成機器人自動越障的目標，如圖5所示。
本研究利用NI的sbRIO嵌入式系統與LabVIEW圖形化程式，進行六足機器人的快速開發，此六足機器人能穩定動態的行走於一般路面，也能於崎嶇地形中穿越，並且，也具有仿生設計的特殊越障步態。目前實驗室也持續研究開發不同的行為模式，以讓機器人能克服更多類型的地形，也能進行全自主的步態變換，期望能將機器人應用到生活中的各個面向。
林沛群 副教授
國立台灣大學 機械工程學系
peichunlin@ntu.edu.tw