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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2019/09/02,*,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2019/09/02,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2019/09/02,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2019/09/02,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2019/09/02,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,1,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,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,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,2,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,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,3,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第五节 感知与智能应用系统实例 ZMP位置检测需要,4,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）。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第五节 感知与智能应用系统实例 右图为ZMP行走模,5,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：,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第五节 感知与智能应用系统实例 期望ZMP的,6,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：,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第五节 感知与智能应用系统实例 期望ZMP与实际Z,7,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,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,8,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,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第七章 机器人设计技术第一节 设计方法与设计原则山东大学机,9,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则7.1.1 一般设计技术山东大学,10,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则1、整体性原则山东大学机械工程学,11,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则 5）、性能与成本之,12,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则 控制系统的设计包括,13,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,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：山东,14,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则2、详细设计山东大学机械工程学院,15,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则 （3）、制造、安装、调试,16,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,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则二、设计方法山东大学机械工程学院,17,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,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第一节 设计方法与设计原则7.1.2 仿生设计方法山东大学,18,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；N,m,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第二节 一般工业机器人系统设计7.2.1 设计参数与指标山东,19,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。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2019/09/02,第二节 一般工业机器人系统设计 5、速度：主要,20,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。,山东大学机械
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