十三讲机器人设计技术

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,山东大学机械工程学院机电工程研究所2007/11/20,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,山东大学机械工程学院机电工程研究所2007/11/20,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,山东大学机械工程学院机电工程研究所2007/11/20,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,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,仿人机,器,器人智,能,能行走,系,系统,人体在,行,行走的,过,过程中,，,，其重,心,心不断,地,地周期,性,性移动,和,和改变,，,，在任,何,何时刻,至,至少有,一,一只脚,与,与地面,接,接触，,而,而其中,一,一段是,两,两只脚,同,同时着,地,地。单,支,支撑和,双,双支撑,交,交替进,行,行，但,只,只有单,支,支撑和,双,双支撑,在,在行走,周,周期中,所,所占比,例,例合理,，,，才能,保,保持身,体,体平衡,。,。,双足行,走,走周期,：,：,三个阶,段,段：,1、单,脚,脚支撑,阶,阶段，,也,也称摆,腿,腿阶段,。,。,2、双,脚,脚支撑,阶,阶段,3、移,动,动过度,阶,阶段,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,仿人机,器,器人智,能,能行走,系,系统,一、ZMP理,论,论与计,算,算,ZMP,(,(零矩,点,点)控,制,制是目,前,前应用,比,比较成,功,功的双,足,足机器,人,人平衡,理,理论，,它,它要求ZMP,点,点必须,位,位于支,撑,撑面内,。,。,根据任,务,务要求,设,设计双,足,足机器,人,人结构,，,，得到,重,重力的,大,大小；,再,再由运,动,动轨迹,规,规划确,定,定重力,的,的位置,和,和惯性,力,力，计,算,算出期,望,望ZMP位置,，,，并进,行,行稳定,性,性分析,和,和验证,，,，保证,期,期望ZMP落,入,入支撑,面,面内。,由于建,模,模和计,算,算误差,，,，实际ZMP,与,与期望ZMP,会,会存在,一,一定误,差,差，可,能,能会造,成,成双足,机,机器人,的,的失稳,。,。因此,，,，必须,实,实时监,控,控期望ZMP,与,与实际ZMP,的,的偏差,，,，并进,行,行相应,的,的补偿,。,。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,ZMP,位,位置检,测,测需要,六,六维力,传,传感器,获,获取地,面,面反力,信,信息；,另,另外，,摆,摆动腿,着,着地时,与,与地面,间,间的冲,击,击力，,对,对于运,动,动过程,的,的稳定,性,性同样,起,起到至,关,关重要,的,的作用,。,。,仿人机,器,器人行,走,走系统,采,采用六,维,维力/,力,力矩传,感,感器IFS-105M50A220-I63构,成,成实际ZMP,检,检测系,统,统，控,制,制软件,包,包括：,1、采,集,集地面,反,反力数,据,据和对,数,数据进,行,行处理,。,。,2、计,算,算机器,人,人系统,的,的实际ZMP,位,位置。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,右图为ZMP,行,行走模,型,型，重,力,力和惯,性,性力构,成,成机器,人,人的广,义,义力，,广,广义力,的,的延长,线,线落在,地,地面上,的,的点，,即,即为期,望,望的ZMP，,对,对该点,的,的广义,力,力矩为,零,零。,如果作,用,用在机,器,器人脚,底,底,的实际,地,地面反,力,力（包,括,括垂直,反力和,摩,摩擦力,）,）中心,与,与期望,的ZMP重合,，,，并落,在,在支撑,面,面,上，则,对,对于机,器,器人无,翻,翻转力,矩，从,而,而使机,器,器人处,于,于稳定,行走状,态,态。,如果不,重,重合，,则,则可能,存,存,在翻转,力,力矩（,因,因运动,轨,轨迹已,经规划,好,好）。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,期望ZMP的位置,可,可通过,实,实际结,构,构的尺,寸,寸、质,量,量、步,态,态规划,进,进行计,算,算。,六维力/力矩传,感,感器的,最,最佳位,置,置应在,踝,踝关节,以,以下，,越,越接近,地,地面越,好,好。,根据测,量,量得到,的,的力和,力,力矩值,，,，由传,感,感器数,学,学模型,（,（右图,）,），可,以,以计算,出,出实际,的,的ZMP值：,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,期望ZMP与,实,实际ZMP不,重,重合产,生,生的附,加,加翻转,力,力矩的,计,计算公,式,式为：,参考上,述,述公式,，,，为了,消,消除翻,转,转力矩,，,，必须,消,消除期,望,望ZMP与实际ZMP的偏差,；,；因此,，,，平衡,策,策略为,：,：,1、改变,机,机器人,行,行走步,态,态，改,变,变实际ZMP的位置,。,。,2、改变,惯,惯性力,的,的大小,，,，改变,期,期望ZMP的位置,。,。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第五节,感,感知,与,与智能,应,应用系,统,统实例,二、基,于,于传感,器,器的机,器,器人智,能,能行走,基于ZMP理,论,论的步,态,态规划,在,在线调,整,整可以,有,有：,1、根,据,据传感,器,器数据,，,，调整,支,支撑脚,步,步态，,从,从而改,变,变实际,地,地面反,力,力中心,，,，使实,际,际ZMP达到,恰,恰当的,位,位置，,与,与期望ZMP,重,重合。,2、根,据,据传感,器,器数据,，,，调整,各,各关节,的,的驱动,力,力矩从,而,而改变,各,各杆件,的,的加速,度,度和机,器,器人惯,性,性力的,大,大小，,使,使期望ZMP,与,与实际ZMP,重,重合，,实,实现稳,定,定行走,。,。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第七章,机,机器,人,人设计,技,技术,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,第二节,一,一,般,般工业,机,机器人,系,系统设,计,计,第三节,特,特,种,种机器,人,人系统,设,设计,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,7.1,.,.1,一,一般设,计,计技术,一、设,计,计原则,与,与步骤,、,、方法,作为一,种,种典型,的,的机电,设,设备，,机,机电设,备,备的一,般,般设计,原,原则同,样,样适用,于,于机器,人,人；但,机,机器人,又,又有它,独,独特的,一,一面，,如,如：多,自,自由度,、,、非线,性,性、强,耦,耦合、,刚,刚性差,、,、智能,化,化要求,高,高等，,必,必须重,视,视它特,有,有的设,计,计方法,学,学研究,，,，明确,机,机械系,统,统与控,制,制系统,的,的功能,与,与特点,，,，以及,两,两者之,间,间的联,系,系与协,调,调。,一般设,计,计过程,：,：首先,进,进行整,体,体功能,、,、整体,参,参数设,计,计，然,后,后设计,各,各个局,部,部的细,节,节,机器人,设,设计的,两,两个基,本,本原则,：,：,整体性,原,原则和,控,控制系,统,统设计,优,优先于,机,机械结,构,构设计,原,原则。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,1、整,体,体性原,则,则,机器人,的,的一般,设,设计过,程,程：,首先设,计,计机器,人,人的整,体,体功能,、,、整体,参,参数，,然,然后设,计,计各个,局,局部的,细,细节。,设计机,器,器人时,要,要充分,考,考虑各,方,方面因,数,数及相,互,互影响,，,，而不,是,是进行,简,简单的,机,机械结,构,构或控,制,制系统,设,设计。,1）、,系,系统结,构,构设计,机械结,构,构与控,制,制系统,的,的分工,，,，突出,各,各自的,优,优点和,特,特色。,2）、,机,机械与,控,控制系,统,统间的,关,关系与,协,协调。,3）、,机,机械、,控,控制、,传,传感器,、,、软件,、,、硬件,之,之间的,兼,兼容。,4）、,现,现有技,术,术的整,合,合与集,成,成。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,5）、,性,性能与,成,成本之,间,间的折,中,中。,6）、,各,各部分,进,进度的,合,合理安,排,排与协,调,调。,2、,控制系,统,统设计,优,优先原,则,则,也称为,理,理论设,计,计优先,于,于实际,设,设计原,则,则。,一般的,机,机械产,品,品设计,过,过程：,方,方案论,证,证、设,计,计与计,算,算、装,配,配图设,计,计、零,件,件图设,计,计、电,气,气设计,。,。,为什么,要,要控制,系,系统优,先,先？,机械系,统,统的性,能,能一般,是,是开环,形,形成的,，,，而控,制,制系统,一,一般按,闭,闭环新,型,型控制,，,，机器,人,人的性,能,能主要,通,通过经,过,过优化,设,设计的,控,控制系,统,统来保,证,证。,因此，,从,从方案,论,论证阶,段,段就要,优,优先考,虑,虑控制,系,系统的,作,作用和,实,实现问,题,题，结,合,合控制,系,系统软,硬,硬件的,实,实现条,件,件，对,机,机械结,构,构提出,指,指导性,建,建议。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,控制系,统,统的设,计,计包括,方,方案设,计,计、仿,真,真与计,算,算、市,场,场调查,等,等内容,。,。,通过研,究,究机器,人,人的运,动,动学、,动,动力学,和,和控制,系,系统，,可,可以为,机,机械系,统,统的选,型,型和优,化,化设计,提,提供指,导,导。例,如,如：工,作,作空间,的,的确定,、,、避免,奇,奇异点,、,、减速,比,比的选,定,定、具,有,有解析,逆,逆运动,学,学解的,构,构型特,征,征等。,例如：,在,在机器,人,人的工,作,作空间,与,与各关,节,节变量,之,之间不,是,是简单,的,的线性,关,关系，,必,必须通,过,过复杂,计,计算，,或,或借助CAD,工,工具来,完,完成。,控制系,统,统设计,也,也不能,提,提出不,可,可实现,的,的要求,，,，必须,考,考虑机,械,械系统,的,的能力,。,。,山东大,学,学机械,工,工程学,院,院机电,工,工程研,究,究所2010,/,/09,/,/02,第一节,设,设,计,计方法,与,与设计,原,原则,机器人,的,的设计,可,可分为,三,三个阶,段,段：,1、总体,方,方案设,计,计,（1）、市,场,场调查,了解同,类,类产品,的,的性能,、,、特点,和,和不足,，,，估算,成,成本与,收,收益，,评,评估市,场,场开发,前,前景。,（2）、明,确,确机器,人,