机器人设计技术

第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例仿 人 机 器 人 智 能 行 走 系 统 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例仿 人 机 器 人 智 能 行 走 系 统 人 体 在 行 走 的 过 程 中 ， 其 重 心 不 断 地 周 期 性 移动 和 改 变 ， 在 任 何 时 刻 至 少 有 一 只 脚 与 地 面 接 触 ，而 其 中 一 段 是 两 只 脚 同 时 着 地 。 单 支 撑 和 双 支 撑 交替 进 行 ， 但 只 有 单 支 撑 和 双 支 撑 在 行 走 周 期 中 所 占比 例 合 理 ， 才 能 保 持 身 体 平 衡 。双 足 行 走 周 期 ： 三 个 阶 段 ： 1、 单 脚 支 撑 阶 段 ， 也 称 摆 腿 阶 段 。 2、 双 脚 支 撑 阶 段 3、 移 动 过 度 阶 段 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例仿 人 机 器 人 智 能 行 走 系 统一 、 ZMP理 论 与 计 算 ZMP(零 矩 点 )控 制 是 目 前 应 用 比 较 成 功 的 双 足 机器 人 平 衡 理 论 ， 它 要 求 ZMP点 必 须 位 于 支 撑 面 内 。 根 据 任 务 要 求 设 计 双 足 机 器 人 结 构 ， 得 到 重 力 的大 小 ； 再 由 运 动 轨 迹 规 划 确 定 重 力 的 位 置 和 惯 性 力 ，计 算 出 期 望 ZMP位 置 ， 并 进 行 稳 定 性 分 析 和 验 证 ， 保证 期 望 ZMP落 入 支 撑 面 内 。 由 于 建 模 和 计 算 误 差 ， 实 际 ZMP与 期 望 ZMP会 存在 一 定 误 差 ， 可 能 会 造 成 双 足 机 器 人 的 失 稳 。 因 此 ，必 须 实 时 监 控 期 望 ZMP与 实 际 ZMP的 偏 差 ， 并 进 行 相应 的 补 偿 。 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例 ZMP位 置 检 测 需 要 六 维 力 传 感 器 获 取 地面 反 力 信 息 ； 另 外 ， 摆 动 腿 着 地 时 与 地 面 间的 冲 击 力 ， 对 于 运 动 过 程 的 稳 定 性 同 样 起 到至 关 重 要 的 作 用 。 仿 人 机 器 人 行 走 系 统 采 用 六 维 力 /力 矩 传感 器 IFS-105M50A220-I63构 成 实 际 ZMP检测 系 统 ， 控 制 软 件 包 括 ： 1、 采 集 地 面 反 力 数 据 和 对 数 据 进 行 处理 。 2、 计 算 机 器 人 系 统 的 实 际 ZMP位 置 。 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例 右 图 为 ZMP行 走 模 型 ， 重 力 和 惯 性 力 构 成 机 器人 的 广 义 力 ， 广 义 力 的 延 长 线 落 在 地 面 上 的 点 ， 即为 期 望 的 ZMP， 对 该 点 的 广 义 力 矩 为 零 。 如 果 作 用 在 机 器 人 脚 底的 实 际 地 面 反 力 （ 包 括 垂 直反 力 和 摩 擦 力 ） 中 心 与 期 望的 ZMP重 合 ， 并 落 在 支 撑 面上 ， 则 对 于 机 器 人 无 翻 转 力矩 ， 从 而 使 机 器 人 处 于 稳 定行 走 状 态 。 如 果 不 重 合 ， 则 可 能 存在 翻 转 力 矩 （ 因 运 动 轨 迹 已经 规 划 好 ） 。 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例 期 望 ZMP的 位 置 可 通 过 实 际 结 构 的 尺 寸 、质 量 、 步 态 规 划 进 行 计 算 。 六 维 力 /力 矩 传 感 器 的 最 佳 位 置 应 在 踝关 节 以 下 ， 越 接 近 地 面 越 好 。 根 据 测 量 得 到 的 力 和 力 矩 值 ， 由 传 感 器数 学 模 型 （ 右 图 ） ， 可 以 计 算 出 实 际 的 ZMP值 ： 0Ma)(g p mPAMFPS 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例 期 望 ZMP与 实 际 ZMP不 重 合 产 生 的 附 加 翻 转力 矩 的 计 算 公 式 为 ： 向 广 义 力（ 向 广 义 力（ 向 广 义 力（ 向 广 义 力（ 实 际期 望 实 际期 望旋 转 实 际期 望侧 向 实 际期 望前 向 X)- Y)- Z)- Z)- ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP YY XXT YYT XXT 参 考 上 述 公 式 ， 为 了 消 除 翻 转 力 矩 ， 必 须 消 除期 望 ZMP与 实 际 ZMP的 偏 差 ； 因 此 ， 平 衡 策 略 为 ： 1、 改 变 机 器 人 行 走 步 态 ， 改 变 实 际 ZMP的 位 置 。 2、 改 变 惯 性 力 的 大 小 ， 改 变 期 望 ZMP的 位 置 。 第 五 节 感 知 与 智 能 应 用 系 统 实 例二 、 基 于 传 感 器 的 机 器 人 智 能 行 走 基 于 ZMP理 论 的 步 态 规 划 在 线 调 整 可 以 有 ： 1、 根 据 传 感 器 数 据 ， 调 整 支 撑 脚 步 态 ， 从而 改 变 实 际 地 面 反 力 中 心 ， 使 实 际 ZMP达 到恰 当 的 位 置 ， 与 期 望 ZMP重 合 。 2、 根 据 传 感 器 数 据 ， 调 整 各 关 节 的 驱 动力 矩 从 而 改 变 各 杆 件 的 加 速 度 和 机 器 人 惯 性力 的 大 小 ， 使 期 望 ZMP与 实 际 ZMP重 合 ， 实现 稳 定 行 走 。 第 七 章 机 器 人 设 计 技 术第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计第 三 节 特 种 机 器 人 系 统 设 计 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则7.1.1 一 般 设 计 技 术一 、 设 计 原 则 与 步 骤 、 方 法 作 为 一 种 典 型 的 机 电 设 备 ， 机 电 设 备 的 一 般设 计 原 则 同 样 适 用 于 机 器 人 ； 但 机 器 人 又 有 它 独特 的 一 面 ， 如 ： 多 自 由 度 、 非 线 性 、 强 耦 合 、 刚性 差 、 智 能 化 要 求 高 等 ， 必 须 重 视 它 特 有 的 设 计方 法 学 研 究 ， 明 确 机 械 系 统 与 控 制 系 统 的 功 能 与特 点 ， 以 及 两 者 之 间 的 联 系 与 协 调 。 一 般 设 计 过 程 ： 首 先 进 行 整 体 功 能 、 整 体 参数 设 计 ， 然 后 设 计 各 个 局 部 的 细 节 机 器 人 设 计 的 两 个 基 本 原 则 ： 整 体 性 原 则 和 控 制 系 统 设 计 优 先 于 机 械 结 构 设计 原 则 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则1、 整 体 性 原 则 机 器 人 的 一 般 设 计 过 程 ： 首 先 设 计 机 器 人 的 整 体 功 能 、 整 体 参 数 ， 然 后设 计 各 个 局 部 的 细 节 。 设 计 机 器 人 时 要 充 分 考 虑 各 方 面 因 数 及 相 互 影响 ， 而 不 是 进 行 简 单 的 机 械 结 构 或 控 制 系 统 设 计 。 1） 、 系 统 结 构 设 计 机 械 结 构 与 控 制 系 统 的 分 工 ， 突 出 各 自 的 优点 和 特 色 。 2） 、 机 械 与 控 制 系 统 间 的 关 系 与 协 调 。 3） 、 机 械 、 控 制 、 传 感 器 、 软 件 、 硬 件 之 间的 兼 容 。 4） 、 现 有 技 术 的 整 合 与 集 成 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则 5） 、 性 能 与 成 本 之 间 的 折 中 。 6） 、 各 部 分 进 度 的 合 理 安 排 与 协 调 。2、 控 制 系 统 设 计 优 先 原 则 也 称 为 理 论 设 计 优 先 于 实 际 设 计 原 则 。 一 般 的 机 械 产 品 设 计 过 程 ： 方 案 论 证 、 设 计 与计 算 、 装 配 图 设 计 、 零 件 图 设 计 、 电 气 设 计 。 为 什 么 要 控 制 系 统 优 先 ？ 机 械 系 统 的 性 能 一 般 是 开 环 形 成 的 ， 而 控 制系 统 一 般 按 闭 环 新 型 控 制 ， 机 器 人 的 性 能 主 要 通过 经 过 优 化 设 计 的 控 制 系 统 来 保 证 。 因 此 ， 从 方 案 论 证 阶 段 就 要 优 先 考 虑 控 制 系统 的 作 用 和 实 现 问 题 ， 结 合 控 制 系 统 软 硬 件 的 实现 条 件 ， 对 机 械 结 构 提 出 指 导 性 建 议 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则 控 制 系 统 的 设 计 包 括 方 案 设 计 、 仿 真 与计 算 、 市 场 调 查 等 内 容 。 通 过 研 究 机 器 人 的 运 动 学 、 动 力 学 和 控制 系 统 ， 可 以 为 机 械 系 统 的 选 型 和 优 化 设 计提 供 指 导 。 例 如 ： 工 作 空 间 的 确 定 、 避 免 奇异 点 、 减 速 比 的 选 定 、 具 有 解 析 逆 运 动 学 解的 构 型 特 征 等 。 例 如 ： 在 机 器 人 的 工 作 空 间 与 各 关 节 变量 之 间 不 是 简 单 的 线 性 关 系 ， 必 须 通 过 复 杂计 算 ， 或 借 助 CAD工 具 来 完 成 。 控 制 系 统 设 计 也 不 能 提 出 不 可 实 现 的 要求 ， 必 须 考 虑 机 械 系 统 的 能 力 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则机 器 人 的 设 计 可 分 为 三 个 阶 段 ： 1、 总 体 方 案 设 计 （ 1） 、 市 场 调 查 了 解 同 类 产 品 的 性 能 、 特 点 和 不 足 ， 估 算 成 本与 收 益 ， 评 估 市 场 开 发 前 景 。 （ 2） 、 明 确 机 器 人 的 设 计 要 求 明 确 机 器 人 的 任 务 要 求 ， 分 析 工 作 环 境 ， 确 定工 作 空 间 、 位 置 精 度 、 负 载 等 要 求 。 （ 3） 、 明 确 功 能 要 求 、 性 能 指 标 和 技 术 参 数 明 确 提 出 机 器 人 应 具 有 的 功 能 、 性 能 指 标 和 技术 参 数 。 （ 4） 、 方 案 比 较 初 步 提 出 若 干 总 体 设 计 方 案 ， 通 过 工 艺 、 技 术 、价 值 等 分 析 选 择 最 佳 方 案 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则2、 详 细 设 计 （ 1） 、 机 器 人 的 控 制 系 统 设 计 根 据 总 体 功 能 要 求 选 择 合 适 的 控 制 方 案 ： 集 中式 或 分 布 式 。 然 后 设 计 或 选 择 控 制 硬 件 ， 包 括 ： 控制 器 、 传 感 器 、 驱 动 元 件 等 。 （ 2） 、 机 器 人 的 机 械 设 计 1） 机 械 系 统 复 杂 ， 2） 更 突 出 刚 度 和 精 度 设 计 。3） 考 虑 机 械 结 构 对 伺 服 系 统 快 速 响 应 能 力 的 影 响 。4） 考 虑 机 械 皆 振 频 率 对 运 动 稳 定 性 、 快 速 性 、 轨迹 精 度 等 的 影 响 。 5） 结 构 紧 凑 性 、 灵 巧 性 要 求 更高 。 如 ： 大 传 动 比 减 速 器 ， 电 机 与 传 动 系 统 一 体 化元 件 。 6） 美 观 、 大 方 。 7） 采 用 先 进 设 计 方 法 ， 如 ;模 块 化 设 计 ， CAD。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则 （ 3） 、 制 造 、 安 装 、 调 试 1） 元 件 的 筛 选 ， 零 件 的 检 验 。 2） 先 进 行 子 系统 的 安 装 与 调 试 ， 再 总 体 安 装 ， 最 后 联 调 。 （ 4） 、 编 写 设 计 文 档 1） 贯 穿 整 个 设 计 过 程 。 2） 便 于 改 进 、 升 级 。3） 经 验 的 总 结 与 积 累 。设 计 文 档 通 常 包 括 ： 机 器 人 设 计 功 能 要 求 书 市 场 调 查 报 告 、 方 案 设 计 设 计 图 纸 、 外 购 件 清 单 调 试 说 明 和 出 现 的 问 题 及 解 决 方 法 技 术 难 题 、 末 解 决 的 问 题 和 以 后 的 展 望 。 。 。 。 。 等 等 。 设 计 是 一 个 不 断 往 复 的 过 程 ， 开 头 是 关 键 。 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则二 、 设 计 方 法 由 于 机 器 人 开 发 复 杂 性 ， 必 须 采 用 最先 进 的 技 术 与 工 具 。 1、 计 算 机 辅 助 设 计 2、 仿 真 与 虚 拟 设 计 机 械 系 统 动 态 仿 真 软 件 ADAMS， 控 制系 统 仿 真 工 具 Matlab。 3、 仿 生 设 计 第 一 节 设 计 方 法 与 设 计 原 则7.1.2 仿 生 设 计 方 法 仿 生 学 是 一 门 将 有 关 的 生 物 学 原 理 应 用到 工 程 系 统 的 研 究 与 设 计 中 的 学 科 。 一 、 结 构 仿 生 1、 海 洋 动 物 仿 生 2、 蛇 类 仿 生 3、 变 形 虫 仿 生 4、 人 体 仿 生 二 、 功 能 仿 生 1、 大 脑 功 能 仿 生 2、 感 知 仿 生 3、 运 动 仿 生 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计7.2.1 设 计 参 数 与 指 标 1、 工 作 空 间 2、 运 动 自 由 度 ： 一 般 连 杆 系 的 自 由 度M：其 中 ： n连 杆 根 数 ， m运 动 副 引 入 的 对 连 杆的 约 束 数 ； Nm具 有 约 束 数 m的 连 杆 的 根 数 。 3、 有 效 负 载 ： 机 器 人 工 作 时 所 能 承 受的 力 或 力 矩 。 4、 运 动 精 度 ： 包 括 位 置 精 度 、 重 复 定位 精 度 和 系 统 分 辨 率 。 mmMnM -6 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 5、 速 度 ： 主 要 运 动 自 由 度 的 最 大 稳 定速 度 ； 最 大 允 许 的 加 、 减 速 度 ， 它 们 受 到 驱动 功 率 和 系 统 刚 度 的 限 制 。 6、 动 态 特 性 结 构 动 态 与 质 量 、 惯 性 矩 、 刚 度 、阻 尼 系 数 、 固 有 频 率 、 系 统 模 态 等 有 关 。 7、 经 济 性 指 标 包 括 初 始 投 资 和 运 行 成 本 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计7.2.2 系 统 总 体 功 能 和 方 案 设 计 机 器 人 设 计 设 计 机 械 设 计 、 传 感 技 术 、 计 算 机应 用 和 自 动 控 制 ， 是 跨 学 科 的 综 合 设 计 ， 应 作 为 一个 系 统 进 行 工 作 。 从 总 体 出 发 研 究 系 统 内 各 组 成 部分 之 间 和 外 部 环 境 与 系 统 之 间 的 相 互 关 系 。 工 业 机 器 人 应 具 有 ： 1） 整 体 性 ， 2） 相 关 性 ， 3） 目 的 性 ， 4） 环 境适 应 性 。 明 确 功 能 ， 提 出 多 种 方 案 ， 优 选 方 案 ， 明 确 技术 难 点 和 关 键 技 术 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计7.2.3 分 系 统 详 细 设 计 与 实 现 一 、 机 械 结 构 分 系 统 1） 手 部 结 构 ： 即 手 爪 或 末 端 执 行 器 ， 用 于 机器 人 作 业 。 2） 手 腕 系 统 ： 用 于 改 变 手 部 的 空 间 方 位 ， 和将 工 作 载 荷 传 递 到 手 臂 。 3） 手 臂 结 构 ： 改 变 手 部 的 空 间 位 置 ， 满 足 机器 人 的 工 作 空 间 ， 将 载 荷 传 递 到 机 座 。 4） 机 座 ： 起 支 撑 作 用 。 二 、 控 制 分 系 统 ： 由 控 制 计 算 机 和 驱 动 装 置 伺 服控 制 器 组 成 。 1、 控 制 分 系 统 的 特 点 ： 1） 机 器 人 的 控 制 与 他 的 运 动 学 、 动 力 学 有 密 不可 分 的 关 系 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 2） 描 述 机 器 人 状 态 和 运 动 的 数 学 模 型 是 一 个 多变 量 、 非 线 性 模 型 。 3） 工 业 机 器 人 的 任 一 位 姿 都 可 以 通 过 不 同 的 方式 和 路 径 达 到 。 2、 控 制 分 系 统 的 基 本 功 能 1） 示 教 功 能 2） 运 动 控 制 功 能 3、 工 业 机 器 人 的 控 制 方 式 1） 点 位 控 制 方 式 2） 连 续 轨 迹 控 制 方 式 4、 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 组 成 （ 1） 硬 件 ： 传 感 装 置 、 控 制 装 置 、 关 节 伺 服 驱动 装 置 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 （ 2） 软 件 ： 运 动 轨 迹 算 法 、 关 节 伺 服 控 制 算 法 、接 口 部 分 实 现 。3、 智 能 分 系 统 目 前 ， 机 器 人 系 统 中 的 研 究 重 点 。 主 要 包 括 两部 分 ： 1、 感 知 系 统 ： 主 要 靠 硬 件 ， 特 别 是 各 种 传 感 器 ，结 合 微 处 理 器 和 相 关 软 件 来 实 现 感 知 控 制 。 2、 分 析 决 策 规 划 系 统 ： 主 要 由 软 件 实 现 ，通 过 收 集 、 表 达 、 分 析 整 理 各 种 数 据 和 实 际 经 验 ，实 现 科 学 决 策 ， 如 ： 专 家 系 统 ， 模 式 识 别 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计7.2.4 系 统 内 外 部 接 口 设 计 1、 机 械 接 口 主 要 采 用 螺 栓 、 螺 钉 等 连 接 件 固 定 连 接 ， 对 一 些易 损 件 和 经 常 更 换 的 外 部 设 备 ， 多 采 用 卡 口 式 连 接方 式 。 2、 通 信 接 口 机 器 人 与 传 感 器 之 间 主 要 采 用 AI/O、 DI/D接 口 。 1、 串 行 通 讯 接 口 RS232C： 可 以 实 现 点 对 点 的通 信 方 式 。 2、 串 行 接 口 RS485： RS-485采 用 主 从 式 结 构系 统 ， 可 以 挂 接 32个 节 点 ； 通 信 方 式 以 主 站 轮 询 的方 式 进 行 ， 系 统 的 实 时 性 、 可 靠 性 较 差 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计3、 FireWire总 线下 面 所 列 是 FireWire总 线 的 一 些 特 点 ： 采 用 点 对 点 模 型 ， 所 有 连 接 设 备 建 立 一 种 对 等网 络 ， 设 备 之 间 可 以 互 相 通 信 而 不 通 过 主 机 。 单 一 总 线 最 多 连 接 63个 物 理 节 点 支 持 三 种 速 率 模 式 ： 100 Mbps、 200 Mbps和400 Mbps。 支 持 等 时 和 异 步 两 种 传 输 方 式 。 等 时 传 输 ： 按 一 定 的 速 率 进 行 传 输 ， 拥 有 固 定 的带 宽 ， 异 步 传 输 ： 通 过 惟 一 地 址 指 定 响 应 节 点 ， 通 信 时请 求 方 与 响 应 方 需 要 进 行 联 络 。 以 125s为 循 环 周 期 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 采 用 六 线 制 ， 包 括 两 对 双 绞 线 和 一 对电 源 线 。 一 对 双 绞 线 传 输 数 据 ， 另 一 对 传 输选 通 信 号 。 采 用 四 层 传 输 协 议 ， 由 上 至 下 依 次 为 ：总 线 管 理 层 、 事 务 层 、 链 路 层 和 物 理 层 。 支 持 即 插 即 用 。 设 备 可 以 自 供 电 或 由 总 线 供 电 。 FireWire总 线 可 以 连 接 多 种 外 部 设 备 ， 包括 ： 大 容 量 存 储 器 、 视 频 输 出 设 备 、 娱 乐 设备 、 小 型 网 络 和 视 频 会 议 设 备 等 。 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 4、 CAN总 线 CAN总 线 是 一 种 有 效 支 持 分 布 式 控 制 或 实 时 控 制的 串 行 通 信 网 络 。 CAN总 线 在 以 下 方 面 具 有 明 显 的 优 越 性 ： 1） 、 网 络 各 节 点 之 间 的 数 据 通 信 实 时 性 强 ： 网 络 中 的 各 节 点 都 可 根 据 总 线 访 问 优 先 权 ， 采 用逐 位 仲 裁 的 方 式 竞 争 向 总 线 发 送 数 据 ， 且 废 除 了 站地 址 编 码 ， 代 之 以 对 通 信 数 据 进 行 编 码 ， 这 可 使 不同 的 节 点 同 时 接 收 到 相 同 的 数 据 ， 第 二 节 一 般 工 业 机 器 人 系 统 设 计 2） 、 缩 短 开 发 周 期 已 形 成 国 际 标 准 的 现 场 总 线 ， 与 一 般 的通 信 总 线 相 比 ,CAN总 线 的 数 据 通 信 具 有 突 出的 可 靠 性 、 实 时 性 和 灵 活 性 。 它 在 汽 车 领 域上 的 应 用 是 最 广 泛 的 ， 是 最 有 前 途 的 现 场 总线 之 一 。 接 口 技 术 不 断 发 展 中 ， 一 些 专 用 设 备 采用 专 有 接 口 技 术 。 第 三 节 特 种 机 器 人 系 统 设 计作 业 ： 通 过 市 场 调 查 ， 提 出 一 种 具 有 市 场 前 景的 机 器 人 方 案 。 包 括 ： 名 称 、 市 场 分 析 、 国 内 外 发 展 情况 、 主 要 技 术 参 数 、 方 案 论 证 等 内 容 。