一種爬階梯型機器人之設計與製作 -...

修平學報　第九期　民國九十三年九月HSIUPING JOURNAL. VOL. 9. PP.93∼116 (September 2004) 93

一種爬階梯型機器人之設計與製作

楊　基　鑫

摘要

本文的主題為討論及分析一種能爬越階梯之特殊形式機器人。在機器人系統設計

概念方面，為使其可以爬越階梯並透過馬達的控制使其能站立並前進後退，在機構方

面，使用了滾珠螺桿來使兩隻腳透過馬達控制能上下伸縮；在驅動方面，使用了兩種

馬達，一是控制機器人前進後退及使兩隻腳能伸縮的直流馬達，另一種是步進馬達，

主要是用來調整兩支腳的角度，讓整體結構能維持平衡，使機器人能站立而不會跌

倒；在控制電路方面，使用8051單晶片作為馬達控制的核心。藉由分析機器人前進後

退與爬越階梯時等運動狀況及協調性的配合，轉換成驅動馬達的控制動作，再藉由軟

體撰寫技巧來完成運動控制，此部分是機器人順利運作最重要的一部分。

關鍵字：爬越階梯、8051單晶片、運動控制

楊基鑫：修平技術學院電機工程系助理教授

94 修平學報　第九期　民國九十三年九月

System Design and Setup of a

Robot to Pass over Steps

Chi-Ching, Yang

Abstract

In the research, one special type of robots that can pass over steps is designed and setup.This type of robot uses two kinds of motors, DC and step motors, to drive the overallmechanical structure. In the mechanism, the robot is designed to use the ball screws in orderto change the length of legs. The 8051 microprocessor is used as the CPU of the controllerfor motors. The motion control of the robot enables each motor of the robot to operateharmonically when passing through steps. The research has developed the micro-controllersoftware to control the robot passing the step successfully.

Key Words：pass over steps, 8051 microprocessor, motion control

Chi-Ching Yang:GAssistant Professor, Department of Electrical Engineering, HIT

1. 前言物體移動的方式有很多種，如藉由

車輪來做前後移動、以雙腳步行方式來

做運動、或是利用軌道在固定路線來移

動...等。一般來說，在平坦的地面上藉

由車輪移動，無論是在運動能力、能

量、效率、移動速度等方面，相較其他

運動方式而言是有較明顯的優點。但是

對於階梯型障礙物而言，以雙腳或多足

步行運動的方式，卻較車輪直接跨越的

方式有更好的運動能力，因此機器人用

兩隻或多隻腳來移動這方面的研究便有

它存在的價值。Matsumoto等人[1][2][3]

在文獻上曾討論爬越階梯型機器人的設

計問題，除設計與製作出原型的機器人

外，並對其作系統建模(modeling)，當機

器人爬越階梯時可將其視為倒單擺平衡

與控制的問題。本論文即參考這類型機

器人的外型結構與研究動機，另外研發

設計出一種可爬越階梯的機器人。

2.機構設計說明本文所設計與製作的爬階梯型機器

人，在整體機構上分成幾個主要的部

分。(1)如何使機器人做抬腿的動作。(2)

如何使機器人的腳可以伸縮，以便能爬

越階梯。關於第一個動作，吾人主要是

使用一組斜齒輪透過步進馬達的控制來

達成。第二個動作主要是使用兩隻滾珠

螺桿分別用在左右兩隻腳，再由直流馬

達來控制驅動這兩隻腳來達成。適當地

結合這兩個動作，可以使機器人能越過

階梯，達成吾人想要的動作[4][5]。

(一) 齒輪機構

最單純可產生定值轉速比的直接接

觸傳動為滾動接觸傳動，但藉著滾動接

觸來傳遞運動與力量時，因受接觸面間

摩擦力的限制，若負荷太大可能發生滑

動現象。為使馬達能順利作驅動，可在

接觸面之圓周配置適當的齒形，使主動

輪與從動輪的齒形之間在連續直接接觸

齟合時，力量皆沿著接觸點公法線的方

向傳動，雖然接觸仍有些滑動現象，但

是兩軸間之傳動卻可維持一定的轉速

比，此種傳動叫做齒輪傳動﹙G e a r

transmission﹚，而此帶有齒形的機械元

件就稱為齒輪﹙Gear﹚。由齒輪所組

成，用來使輸出件與輸入件之轉速比維

持一定的裝置，則稱為齒輪機構﹙Gear

mechanism﹚。

齒輪的種類甚多，主要分成為正齒

輪﹙ Spur gear﹚、斜齒輪﹙ Bevel

一種爬階梯型機器人之設計與製作：楊基鑫 95


gear﹚、螺旋齒輪﹙Helical gear﹚、以及

蝸桿與蝸輪﹙Worm and worm gear﹚。

由於齒輪機構在應用上是用來聯動兩軸

間的運轉關係，因此齒輪的分類，可依

其軸線間的相對位置區分為兩軸平行

﹙ Parallel axes﹚ 、兩軸相交

﹙ Intersecting axes﹚、以及兩軸交錯

﹙ Non-parallel non-intersecting axes﹚等

三類。兩軸平行的齒輪有直齒正齒輪

﹙ Straight spur gear﹚、齒條與小齒輪

﹙ Rack and pinion﹚、螺旋正齒輪

﹙ Helical spur gear﹚、人字齒輪

﹙ Herringbone gear﹚、以及針齒輪﹙Pin

gear﹚等；兩軸相交的齒輪有直齒斜齒

輪﹙Straight bevel gear﹚、冠狀齒輪

﹙ Crown gear﹚、以及蝸線斜齒輪

﹙ Spiral bevel gear﹚等；兩軸相錯的齒

輪有歪斜齒輪﹙Skew bevel gear﹚、交

叉螺旋齒輪﹙Crossed helical gear﹚、戟

齒輪﹙Hypoid gear﹚、以及蝸桿與蝸輪

﹙Worm and worm gear﹚等。本文所設

計的機器人使用直齒斜齒輪做爬越階梯

的動作。

(二) 直齒斜齒輪

直齒斜齒輪﹙Straight bevel gear﹚

為最簡單的斜齒輪，其運動相當於兩

個成滾動接觸的截頭圓錐，如圖一

所示，可用於傳遞具任何角度正交軸線

的運動，但兩個圓錐的錐頂必須重合。

(三) 螺旋機構

螺旋機構﹙Screw mechanism﹚常用

於需要精確地將旋轉運動轉換為直線運

運動的螺帽滑件所組成；這種用來

傳遞運動與動力的螺桿，稱為傳動螺桿

﹙ Translation screw﹚ 或動力螺桿

﹙ Power screw﹚。

螺桿﹙screw﹚為一外表具螺紋且沿

軸心做旋轉運動的機械元件。螺桿的螺

紋，依螺旋軸的方向可分為右螺旋與左

螺旋。自軸線一端視之，依順時針方向

旋轉向前行進的螺紋，稱右螺旋紋

﹙ Right-handed thread﹚，依反時針方向

旋轉向前行進的螺紋，稱為左螺旋紋

動的場合，基本上是由螺桿和與其作相對

﹙ Left-handed thread﹚。螺距﹙Pitch，p﹚

為相鄰兩螺紋之對應點在平行軸線方向

的距離，而導程﹙Lead，Ld﹚為螺桿繞

軸心一周所前進﹙或後退﹚的距離。

螺桿的螺紋，依繞於其柱上的螺紋

數可分為單螺紋與複螺紋，如圖二所

示。單螺紋﹙Single thread﹚的導程與螺

距相等；複螺紋﹙Multiple thread﹚的導

程為螺距的倍數。若沒有特別指定，則

螺桿的螺紋為右旋單螺紋。

(四)滾珠螺桿



滾珠螺桿﹙Ball screw﹚為摩擦力相

當小的傳動螺桿，是一種線性傳動裝置，

用以傳遞運動與動力。滾珠螺桿的用途廣

圖三所示者為一典型的滾珠螺桿傳

動機構，由螺桿、滾珠、以及螺帽滑件所

組成。螺桿的螺帽滑件為圓槽型，以配合

滾珠在其上傳動；螺桿之圓槽的螺旋角與

螺帽滑件的螺旋角一致。由於滾珠和螺桿

與螺帽滑件的相對運動為滾動，因此摩差

損失為相當小。

與一般的螺桿傳動比較，滾珠螺桿

的優點為傳動效率可達90%以上，定位精

確可靠，可估算使用壽命，無黏滑現象，

由摩擦所產生的熱效應可忽略，容易預壓

消除間隙。另外啟動扭距低，可使用較小

的動力源，運動與控制平順，滾珠可承受

泛，常用於工具機、輸送器械、飛機、武

器、甚至天線系統中。

較高的負荷，螺帽滑件體積較小。滾珠螺

桿缺點為需要潤滑以確保使用壽命，需要

煞車裝置來產生自鎖功能，以及剛性較

差...等等。

圖四(a)(b)為本文設計之『爬越階梯

型機器人』之機構設計外觀圖與三視圖。

[14]

圖四(a)中各部分元件說明如下：編

號 ( 1 ) 部分為機器人的腳；編號

(2)(3)(7)(8)為機器人機身構成元件；編

號(4)部分為使機器人雙腳張開之步進馬

達；編號(5)部分為改變機器人腳長度的

直流馬達；編號(6)(12)(13)部分為滾珠螺

桿；編號(9)部分為使機器人前進與後退

之直流馬達；編號(10)部分為滾輪。


(a)


3.驅動馬達說明本文所討論的機器人主要以兩種馬

達來驅動機器人動作。一種是直流馬

達，用來使機器人前進後退及驅動滾珠

螺桿；另一種是步進馬達，用來使機器

人作張開腿的動作，所以需要做定位控

制，因此選用步進馬達。以下就這兩種

馬達作說明[6][7][8]。

(一) 步進馬達

步進馬達﹙Stepping motor﹚在當今

資訊工業社會中，所扮演的腳色日趨重

要，尤以電腦週邊的裝置更是不可或

缺，如磁碟機、列表機、繪圖機等。又

如CNC工具機、機器人、順序控制系統

等各種資訊工業產品中，無不以步進馬

達作為其傳動的重心。茲將步進馬達特

性說明如下：

(1) 步進馬達必須加驅動電路才能轉動，

驅動電路的信號輸入端，必須輸入

脈波信號，若無脈波輸入時，則轉

子保持一定的位置，維持靜止狀

態；反之，若加入適當的脈波信號

時，則轉子是以一定的角度﹙稱為

步進角﹚轉動。故若加入連續脈波

時，則轉子旋轉的角度與脈波頻率

成正比。

(2)步進馬達的步進角一般為1.8度，所以

旋轉一周360度，需要200步進數才完

成1轉。

(3)步進馬達具有瞬間啟動與急速停止之

優越特性。

(4)改變線圈激磁的順序，可以較輕易的

改變馬達的轉動方向。

步進馬達的激磁方式有：﹙甲﹚1相

激磁、﹙乙﹚2相激磁、﹙丙﹚1-2相激

磁。其中1相激磁最為簡單，轉矩最小；

2相激磁可有較大的轉矩；1-2相激磁是

屬於半步進的方式，亦即每一步的旋轉

角度為前兩項激磁的一半。以下是步進

馬達三種激磁方式之原理說明。

﹙甲﹚1相激磁方式

此為輸入1個脈波信號對1相的激磁

方式，為步進馬達驅動的基本方式，它

的動作是1個輸入脈波轉動1步進迴轉

角，因此總迴轉角θs可表示如下

θs=(輸入脈波)×θ

圖五(a)是1相激磁方式的驅動原理。



1相激磁的驅動方式特徵為線圈的耗

費電力少，靜止角度優異，但是轉矩

小，且阻尼特性也很不好，所以除了特

殊用途以外是不使用的。﹙乙﹚2相激磁

方式

類同1相激磁方式的馬達，但是採用

2相激磁的方式，因為有兩組驅動電流流

入，所以輸出轉矩大，其阻尼效果也較

佳，此種驅動方式可輸入較高頻率的電

源驅動脈波，因此一般使用步進馬達均

採用2相激磁。由於同時在2相的線圈上

流過電流，所以捲線上的發熱量通常是1

相激磁方式的2倍。因此在作硬體裝設

時，在馬達散熱方面需要有較佳的因應

對策。圖五(b)為步進馬達2相激磁方式

的驅動原理。

1

A

B

A’

B’

1 1 111111

1 2 3 7 654 8


2

1-2

A

B

A’

B’

2 2 222222

1 2 3 7 654 8

A

B

A’

B’

1 2 121212

1 2 3 7 654 98 10 12 11

2121


﹙丙﹚1-2相激磁方式

馬達激磁線圈上流過的電流，採「1

相→2相→1相→2相」間相互交叉模式，

驅動的特性介於1相激磁以及2相激磁之

間，此種驅動方式的最大特徵是步進馬

達可以採用半步進角的方式驅動，也就

原本1.8?步進角的馬達，以此種方式驅

動時就變成為0.9?步進角的馬達，但是

為了要得到相同角度的迴轉角度，需要

有1相激磁的2倍脈波數。圖五(c)為1-2相

1. 電樞(armature)或轉子(rotor)

此部份為馬達旋轉的部份，材質為永

久磁鐵、線圈(外接電源)、導線(無外接

電源)或特殊形狀之導磁材料。

2. 場繞組(field)或定子(stator)

此部份材質為永久磁鐵或是線圈(外接

電源)。

3. 滑環(slip ring)或換向器

此部份連接轉子繞線至外部換向器用

於改變電樞繞線之電流方向，使用永久

磁鐵為轉子材質的馬達則無需滑環或換

向器。

4. 軸承(bearing)

可使用滾珠、滾針、滾柱、含油自潤

激磁的驅動原理，從圖上可知輸入脈波

一次，線圈激磁就會有1相→2相→1相→

2相的反覆動作產生。

(二) 直流馬達

直流馬達的基本操作原理是利用電

流流過定子產生磁場，當轉子也通上電

流時由於切割定子所產生的磁力線而生

成旋轉扭矩造成馬達轉子的轉動。圖六

為直流馬達的基本構造，直流馬達在構

造上可以分成五個部份：

軸承，主要提供轉子穩固的支撐。

5. 馬達控制器(motor controller)

此部份包含控制馬達的輸出扭矩、速

度或轉角，以及馬達起動、停止之順序

控制，亦可稱之為驅動器。可採用馬達

控制專用晶片或另行設計驅動電路。

有關直流馬達之特性曲線與選用方

直流馬達與其他馬達最大的差異在

於其“轉速－轉矩”與“電流－轉矩”

特性均為線性關係，因此在一般需要做

到轉速、轉矩控制的場合中，若控制精

度不需很高的情況下，通常以直流馬達

作為致動器是較為經濟的選擇。選用動

力電動機時須考量的因素包含輸出負荷

大小、馬達輸出扭力與轉速曲線特性，

同時也要考慮電源形式與運轉模式。在

選用直流馬達時，必須注意工作電壓，

直流馬達電源常見規格為D C 1 2 V與

DC24V；另外還要知道輸出扭矩大小(g-

cm、kg-cm)，以及轉速(rpm)，當然最好

能有馬達特性曲線，如電流轉矩圖與電

流轉速圖等，以方便作為選用馬達時的

參考。計算扭力需求時，先計算欲旋轉

的物體轉動慣量，再參考旋轉速度決定

減速比，然後決定馬達工作扭力值，即

式說明如下。電動機之特性曲線是評

估、選用電動機時的一項重要指標。直

流馬達特性曲線通常指的就是轉速-轉矩

曲線圖與電流-轉矩曲線圖。圖七所示為

12伏特直流馬達特性曲線圖，橫軸為輸

出轉矩，縱軸則分別為轉速、電流以及

效率與輸出功率。


Speed

Current

Torque0 100 400200 300

g-cm

0

1

2

3

4

1

2

3

*1000 R.P.M . AM P.

Eff.

Torque0 100 400200 300

g-cm

0

10

20

30

40

5

10

15

Eff. % Output W

Output


可依照馬達特性選擇適用型式。常用公

式如下所示：

(1) RPM = 馬達(rpm) ÷減速比

(2) 直線速度 = RPM ×輪徑(圓周長)

(3) 轉矩 = 馬達(Torque) × 減速比 × 傳

動效率

(4) 工作點 = 轉矩× ( 60 ~ 80﹪)

4.控制電路製作(一)馬達電路製作

在電路製作的方面，本文分成直流

馬達的驅動電路和步進馬達的驅動電路

兩部份製作。在控制核心方面主要是使

用8051單晶片，在直流馬達的控制部份

則多使用了IC TA7257P。

(1) 8051單晶片原理：[9][10][11]

8051(8052)單晶片內包含CPU、

ROM、I/O埠、以及具計時、計數、中

斷等功能的微電腦單晶片。功能諸元如

下：

* 8位元CPU。

* 32條雙向可獨立定址的I/O埠。

* 具有4Kbyte(8052為8K)程式記憶

體(ROM)，外部可擴充至64K。

* 具有128byte(8052為256byte)資料

記憶體(RAM)，外部可擴充至64k

* 具有震盪器與時脈電路。具2個16

位元計時/計數器(8052有3個)。

* 具有5個中斷源，兩個優先權順序

之中斷結購。

* 全雙工的串列埠(UART)，可同時

傳送與接收資料。

* 具有布林運算能力。

8051單晶片為40根接腳雙列直插式

封裝IC。有關8051單晶片接腳與接腳功

能等重要性能如表一所示。

在設計電路之前，本文將單晶片的

輸出入接腳做以下的規劃，以滿足功能

需求：

* P0埠的8個接腳，配合RD、WR、

ALE/P接腳，經由74LS373栓鎖器與

74LS138解碼器，提供8255可程式化I/O

介面控制晶片，與LCD液晶顯示器做輸

出入使用。


SSCCVV (20, 40 ) 5

XTAL1/2 (18, 19 )

RESET (9 ) 0000H

EV / PPV (31 )

PSEN (29 )

ALE/Prog (30 ) /

P0.0~P0.7 (32~39 ) 8 I/O

P1.0~P1.7 (1~8 ) 8 I/O

P2.0~P2.7 (21~28 ) 8 I/O

RXD/TXD (10, 11 ) (P3.0 P3.1)

INT0/1 (12, 13 ) (P3.2 P3.3)

T0/T1 (14, 15 ) (P3.4 P3.5)

RD/RW (16, 17 ) (P3.6 P3.7)


* P1埠的8個接腳，保留給4X4鍵盤

使用，做鍵盤輸入界面。

* TXD與RXD接腳透過ICL232晶片

與RS232街頭，與個人電腦做通訊傳輸。

有關8051/8052內部功能方塊圖如圖

八所示。

一般8051/52提供4~8K Bytes程式記

憶體給單晶片系統程式儲存再程式記憶

體﹙ROM﹚，使用者將編輯好的程式，

經過組譯﹙Assembler﹚、連結﹙Link﹚

後，燒入到單晶片的ROM。如果採用

89C51晶片，可重複燒錄多次，每次燒

錄可將前一次燒錄的程式自動清除。若

採用 8 0 3 1晶片，由於本身沒有內建

ROM，所以必須採外部擴充記憶體。

8051/8052

4K (8051)

8K (8052)

ROM

64K

128K (8051)

256(8052)

RAM

64K

CPU

I/O

OSC

4 I/O

P0,P1,P2,P4

TIMER0

TIMER1

TIMER2

TXD RXD

資料記憶體﹙RAM﹚是單晶片在執

行程式時，儲存處理資料的地方。一般

8051/52提供128~256Bytes資料記憶體。

其中又可將它們區分為下列幾項功能的

暫存器與記憶體區：

* ﹙00~1FH﹚的32個位元組可分為

四個暫存器庫，分別為RB0、RB1、

RB2、RB3。每個暫存器庫有8個暫存

器，分別為R0、R1、R2、R3、R4、

R5、R6、R7。

* ﹙20~2FH﹚的16位元﹙2Bytes﹚

可做直接位元定址，例如SETB20H.0、

CLR20H.1。

* ﹙30~7FH﹚80個位元組的記憶體

區又稱為"使用者RAM"，可以直接定址

存取資料，同使也可以由使用者透過設

定SP，自訂堆疊資料區。

﹙ 80~FFH﹚的128個位元組資料，

8031/8051晶片沒有提供。在8032/8052晶

片可做間接定址資料區，或是可直接定

址的狀態暫存器﹙SFR﹚使用。其中包

括P0、P1、P2、P3埠的對應暫存器，以

及稍後我們作UART通訊功能會用到的

SCON串列控制暫存器、與計時器/計數

器控制暫存器。

(2) IC TA7257P功能特性介紹：

[8][12][13]

* TA7257P為全僑式架構的直流馬

達旋轉控制器，具有正轉、反轉、停止

及煞車等功能。

* 操作電壓範圍6V~18V。

* 輸出平均電流可達1.5A，峰值電

流可達4.5A。

* 內建電流過載保護裝置及過熱保

護電路。

* 工作電源電壓接腳與馬達電源電

壓接腳是獨立的，故可用於伺服控制。

* TA7257P適於工業上的應用，例

如：磁帶盤、影片盤等機械運轉裝置。

圖九為TA7257P之外觀接腳與內部

方塊圖，4種工作模式由2個邏輯信號所

控制。工作模式表如表二所示



5.結果與討論本文所設計與製作完成之機器人硬體完

成圖如圖十所示。以下分成兩部分進

行爬越階梯之實驗，其一為機器人直

接爬階梯之過程，另一部分為增加一

個輔助輪爬越階梯的情形。

TA7257P

IN 1 IN 2 OUT 1 OUT 2

1 1 LOW LOW

/ 0 1 LOW HIGH

/ 1 0 HIGH LOW

0 0


1. ( ) 2. ( )

3. ( ) 4.

5. ( ) 6. ( )

7. 8.

(一)機器人爬階梯之連續過程：機器人

直接爬階梯之連續過程如下列系列

圖片所示。


9. 10.

11. 12.

13. 14.

15. 16.


(三)機器人加入輔助輪爬階梯之連續過程：前述機器人的機構結構已可

順利爬越階梯，另外吾人嘗試在

機器人加上一個輔助輪，以下為

機器人加入輔助輪爬越階梯之連

續過程。

1. ( ) 2. ( )

3. ( ) 4. ,

5. ( ) 6. ( )

7.8.

,

6.結論本論文討論一種特殊形式之爬階梯

型機器人的之設計與製作，本論文所設

計的機器人在機構方面，使用了滾珠螺

桿來使機器人兩隻腳透過馬達的控制能

上下伸縮；在馬達的部分，為使動作能

協調與平衡，採用兩類型馬達，其中控

制機器人前進後退及使兩隻腳能自由伸

縮的驅動採用直流馬達，另外採用步進

馬達使整體結構能維持平衡，使機器人

能站立而不會跌倒；在控制電路方面，

使用8051單晶片作為馬達控制的核心，

軟體的撰寫部分是本計畫最重要的一部

分，因為機器人的前進後退與爬越階梯

等動作的協調性與配合性，均是藉由軟

體控制馬達驅動電路來完成。本論文結

果部分顯示所設計製作完成之機器人可

順利爬越階梯。另外吾人亦嘗試在機器

人加上一個輔助輪，結果顯示機器人加

上輔助輪爬越階梯的動作協調性較好。

致謝

本研究論文由行政院國家科學委員

會九十年度大專學生參與專題研究計畫

(計畫編號：NSC 90-2815-C-164-001-E)

補助經費完成。研究成果經評定獲選為

行政院國家科學委員會九十年度大專學

生研究創作獎(九十大專獎字第一零零


9. ( ) 10. ( )

11. 12.


號)，及2002年教育部區域產學合作中心

技專校院學生專題成果展佳作，在此特

別感謝。

參考文獻

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和，建興，89年。

[13] 「小型馬達控制用IC」，陳連春，建

興，86年。

[14] 上銀科技產品型錄。

一種爬階梯型機器人之設計與製作 -...

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