第十三讲机器人设计技术

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

山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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2010/09/02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。山东大学机械械工程学院机机电工程研究究所2010/09/02第一节设设计方法与设设计原则控制系统的设设计包括方案案设计、仿真真与计算、市市场调查等内内容。通过研究机器器人的运动学学、动力学和和控制系统，，可以为机械械系统的选型型和优化设计计提供指导。。例如：工作作空间的确定定、避免奇异异点、减速比比的选定、具具有解析逆运运动学解的构构型特征等。。例如：：在机机器人人的工工作空空间与与各关关节变变量之之间不不是简简单的的线性性关系系，必必须通通过复复杂计计算，，或借借助CAD工具具来完完成。。控制系系统设设计也也不能能提出出不可可实现现的要要求，，必须须考虑虑机械械系统统的能能力。。山东大大学机机械工工程学学院机机电工工程研研究所所2010/09/02第一节节设设计计方法法与设设计原原则机器人人的设设计可可分为为三个个阶段段：1、总总体方方案设设计（1））、市市场调调查了解同同类产产品的的性能能、特特点和和不足足，估估算成成本与与收益益，评评估市市场开开发前前景。。（2））、明明确机机器人人的设设计要要求明确机机器人人的任任务要要求，，分析析工作作环境境，确确定工工作空空间、、位置置精度度、负负载等等要求求。（3））、明明确功功能要要求、、性能能指标标和技技术参参数明确提提出机机器人人应具具有的的功能能、性性能指指标和和技术术参数数。（4））、方方案比比较初步提提出若若干总总体设设计方方案，，通过过工艺艺、技技术、、价值值等分分析选选择最最佳方方案。。山东大大学机机械工工程学学院机机电工工程研研究所所2010/09/02第一节节设设计计方法法与设设计原原则2、详详细设设计（1））、机机器人人的控控制系系统设设计根据总总体功功能要要求选选择合合适的的控制制方案案：集集中式式或分分布式式。然然后设设计或或选择择控制制硬件件，包包括：：控制制器、、传感感器、、驱动动元件件等。。（2））、、机机器器人人的的机机械械设设计计1））机机械械系系统统复复杂杂，，2））更更突突出出刚刚度度和和精精度度设设计计。。3））考考虑虑机机械械结结构构对对伺伺服服系系统统快快速速响响应应能能力力的的影影响响。。4））考考虑虑机机械械皆皆振振频频率率对对运运动动稳稳定定性性、、快快速速性性、、轨轨迹迹精精度度等等的的影影响响。。5））结结构构紧紧凑凑性性、、灵灵巧巧性性要要求求更更高高。。如如：：大大传传动动比比减减速速器器，，电电机机与与传传动动系系统统一一体体化化元元件件。。6））美美观观、、大大方方。。7））采采用用先先进进设设计计方方法法，，如如;模模块块化化设设计计，，CAD。。山东东大大学学机机械械工工程程学学院院机机电电工工程程研研究究所所2010/09/02第一一节节设设计计方方法法与与设设计计原原则则（3））、、制制造造、、安安装装、、调调试试1））元元件件的的筛筛选选，，零零件件的的检检验验。。2））先先进进行行子子系系统统的的安安装装与与调调试试，，再再总总体体安安装装，，最最后后联联调调。。（4））、、编编写写设设计计文文档档1））贯贯穿穿整整个个设设计计过过程程。。2））便便于于改改进进、、升升级级。。3））经经验验的的总总结结与与积积累累。。设计计文文档档通通常常包包括括：：《机机器器人人设设计计功功能能要要求求书书》》《市市场场调调查查报报告告》》、、《《方方案案设设计计》》《设设计计图图纸纸》》、、《《外外购购件件清清单单》》《调调试试说说明明和和出出现现的的问问题题及及解解决决方方法法》》《技技术术难难题题、、末末解解决决的的问问题题和和以以后后的的展展望望》》。。。。。。。。。等等等等。。设计计是是一一个个不不断断往往复复的的过过程程，，开开头头是是关关键键。。山东东大大学学机机械械工工程程学学院院机机电电工工程程研研究究所所2010/09/02第一一节节设设计计方方法法与与设设计计原原则则二、、设设计计方方法法由于于机机器器人人开开发发复复杂杂性性，，必必须须采采用用最最先先进进的的技技术术与与工工具具。。1、、计计算算机机辅辅助助设设计计2、、仿仿真真与与虚虚拟拟设设计计机械械系系统统动动态态仿仿真真软软件件ADAMS，，控控制制系系统统仿仿真真工工具具Matlab。。3、、仿仿生生设设计计山东东大大学学机机械械工工程程学学院院机机电电工工程程研研究究所所2010/09/02第一一节节设设计计方方法法与与设设计计原原则则仿仿生设计计方法仿生学是是一门将将有关的的生物学学原理应应用到工工程系统统的研究究与设计计中的学学科。一、结构构仿生1、海洋洋动物仿仿生2、蛇类类仿生3、变形形虫仿生生4、人体体仿生二、功能能仿生1、大脑脑功能仿仿生2、感知知仿生3、运动动仿生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第二节一一般工工业机器器人系统统设计设设计参数数与指标标1、工作作空间2、运动动自由度度：一般般连杆系系的自由由度M：：其中：n连杆根根数，m运动副副引入的的对连杆杆的约束束数；Nm具有约束束数m的的连杆的的根数。。3、有效效负载：：机器人人工作时时所能承承受的力力或力矩矩。4、运动动精度：：包括位位置精度度、重复复定位精精度和系系统分辨辨率。山东大大学机机械工工程学学院机机电工工程研研究所所2010/09/02第二节节一一般工工业机机器人人系统统设计计5、速速度：：主要要运动动自由由度的的最大大稳定定速度度；最大允许的的加、减速速度，它们们受到驱动动功率和系系统刚度的的限制。6、动态特特性结构动态与与质量、惯惯性矩、刚刚度、阻尼尼系数、固固有频率、、系统模态态等有关。。7、经济性性指标包括初始投投资和运行行成本。山东大学机机械工程学学院机电工工程研究所所2010/09/02第二节一一般工业机机器人系统统设计7.2.2系统总总体功能和和方案设计计机器人设计计设计机械械设计、传传感技术、、计算机应应用和自动动控制，是是跨学科的的综合设计计，应作为为一个系统统进行工作作。从总体体出发研究究系统内各各组成部分分之间和外外部环境与与系统之间间的相互关关系。工业机器人人应具有：：1）整体性性，2）相相关性，3）目的性性，4）环环境适应性性。明确功能，，提出多种种方案，优优选方案，，明确技术术难点和关关键技术。。山东大学机机械工程学学院机电工工程研究所所2010/09/02第二节一一般工业机机器人系统统设计7.2.3分系统统详细设计计与实现一、机械结结构分系统统1）手部结结构：即手手爪或末端端执行器，，用于机器器人作业。。2））手手腕腕系系统统：：用用于于改改变变手手部部的的空空间间方方位位，，和和将将工工作作载载荷荷传传递递到到手手臂臂。。3））手手臂臂结结构构：：改改变变手手部部的的空空间间位位置置，，满满足足机机器器人人的的工工作作空空间间，，将将载载荷荷传传递递到到机机座座。。4））机机座座：：起起支支撑撑作作用用。。二、、控控制制分分系系统统：：由由控控制制计计算算机机和和驱驱动动装装置置伺伺服服控控制制器器组组成成。。1、、控控制制分分系系统统的的特特点点：：1））机机器器人人的的控控制制与与他他的的运运动动学学、、动动力力学学有有密密不不可可分分的的关关系系。。山东东大大学学机机械械工工程程学学院院机机电电工工程程研研究究所所2010/09/02第二节节一一般工工业机机器人人系统统设计计2）描描述机机器人人状态态和运运动的的数学学模型型是一一个多多变量量、非非线性性模型型。3）工工业机机器人人的任任一位位姿都都可以以通过过不同同的方方式和和路径径达到到。2、控控制分分系统统的基基本功功能1）示示教功功能2）运运动控控制功功能3、工工业机机器人人的控控制方方式1）点点位控控制方方式2）连连续轨轨迹控控制方方式4、工工业机机器人人控制制系统统的组组成（1））硬件件：传传感装装置、、控制制装置置、关关节伺伺服驱驱动装装置。。山东大大学机机械工工程学学院机机电工工程研研究所所2010/09/02第二节节一一般工工业机机器人人系统统设计计（2））软件件：运运动轨轨迹算算法、、关节节伺服服控制制算法法、接接口部部分实实现。。3、智智能分分系统统目前，，机器器人系系统中中的研研究重重点。。主要要包括括两部部分：：1、感感知系系统：：主要要靠硬硬件，，特别别是各各种传传感器器，结结合微微处理理器和和相关关软件件来实实现感感知控控制。。2、分析——决策—规规划系统：：主要由软软件实现，，通过收集集、表达、、分析整理理各种数据据和实际经经验，实现现科学决策策，如：专专家系统，，模式识别别。山东大学机机械工程学学院机电工工程研究所所2010/09/02第二节一一般工业机机器人系统统设计7.2.4系统内内外部接口口设计1、机械接接口主要采用螺螺栓、螺钉钉等连接件件固定连接接，对一些些易损件和和经常更换换的外部设设备，多采采用卡口式式连接方式式。2、通信接接口机器人与传传感器之间间主要采用用AI/O、DI/D接口。。1、串行通通讯接口RS232C：可以以实现点对对点的通信信方式。。2、串行接接口RS485：RS-485采用主主从式结构构系统，可可以挂接32个节点点；通信方方式以主站站轮询的方方式进行，，系统的实实时性、可可靠性较差差。山东大学机机械工程学学院机电工工程研究所所2010/09/02第二节一一般工业机机器人系统统设计3、FireWire总线下面所列是是FireWire总线的一一些特点：：①①采采用点对点点模型，所所有连接设设备建立一一种对等网网络，设备备之间可以以互相通信信而不通过过主机。②②单一总线线最多连接接63个物物理节点③支持三种种速率模式式：100

Mbps、200

Mbps和400Mbps。。④支持等时时和异步两两种传输方方式。等时传输：：按一定的的速率进行行传输，拥拥有固定的的带宽，异步传输：：通过惟一一地址指定定响应节点点，通信时时请求方与与响应方需需要进行联联络。⑤以125μs为循环环周期山东大学学机械工工程学