第十三讲 机器人设计技术

第十三讲机器人设计技术山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02第一页，共三十页，2022年，8月28日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、移动过度阶段第二页，共三十页，2022年，8月28日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。第三页，共三十页，2022年，8月28日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。第四页，共三十页，2022年，8月28日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）。第五页，共三十页，2022年，8月28日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：第六页，共三十页，2022年，8月28日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。第七页，共三十页，2022年，8月28日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。第八页，共三十页，2022年，8月28日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第九页，共三十页，2022年，8月28日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。第十页，共三十页，2022年，8月28日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。第十一页，共三十页，2022年，8月28日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。第十二页，共三十页，2022年，8月28日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

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。第十三页，共三十页，2022年，8月28日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。第十四页，共三十页，2022年，8月28日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。第十五页，共三十页，2022年，8月28日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

（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。第十六页，共三十页，2022年，8月28日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、仿生设计第十七页，共三十页，2022年，8月28日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7.1.2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、运动仿生第十八页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。

第十九页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十一页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十二页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十三页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十四页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。第二十五页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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：

①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。

②单一总线最多连接63个物理节点

③支持三种速率模式：100

Mbps、200

Mbps和400

Mbps。

④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。

⑤以125μs为循环周期第二十六页，共三十页，2022年，8月28日山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02第二节一般工业机器人系统设计

⑥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。