第十三讲机器人设计技术
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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2010/09/02
No Image
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
No Image
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。
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：
PS F M PA m(g a) Mp 0
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
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
No Image
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、ZMபைடு நூலகம்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。
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
No Image
第五节 感知与智能应用系统实例
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
No Image
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
No Image
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
No Image
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。
No Image
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。
No Image
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
No Image
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。
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。
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
No Image
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
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2010/09/02
No Image
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：
T前向 （X 期望ZMP - X 实际ZMP ) Z向广义力
T侧向 （Y期望ZMP - Y实际ZMP ) Z向广义力
T旋转 （X 期望ZMP - X 实际ZMP ) Y向广义力
（Y期望ZMP - Y实际ZMP ) X向广义力
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
No Image
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
No Image
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。
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：
PS F M PA m(g a) Mp 0
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
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
No Image
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、ZMபைடு நூலகம்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。
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
No Image
第五节 感知与智能应用系统实例
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
No Image
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
No Image
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
No Image
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。
No Image
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。
No Image
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
No Image
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。
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。
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
No Image
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
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2010/09/02
No Image
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：
T前向 （X 期望ZMP - X 实际ZMP ) Z向广义力
T侧向 （Y期望ZMP - Y实际ZMP ) Z向广义力
T旋转 （X 期望ZMP - X 实际ZMP ) Y向广义力
（Y期望ZMP - Y实际ZMP ) X向广义力