《機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)》ppt課件

1、第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例仿人機(jī)器人智能行走系統(tǒng) 第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例仿人機(jī)器人智能行走系統(tǒng) 人體在行走的過(guò)程中，其重心不斷地周期性挪動(dòng)和改動(dòng)，在任何時(shí)辰至少有一只腳與地面接觸，而其中一段是兩只腳同時(shí)著地。單支撐和雙支撐交替進(jìn)展，但只需單支撐和雙支撐在行走周期中所占比例合理，才干堅(jiān)持身體平衡。雙足行走周期： 三個(gè)階段： 1、單腳支撐階段，也稱擺腿階段。 2、雙腳支撐階段 3、挪動(dòng)過(guò)度階段第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例仿人機(jī)器人智能行走系統(tǒng)一、ZMP實(shí)際與計(jì)算 ZMP(零矩點(diǎn))控制是目前運(yùn)用比較勝利的雙足機(jī)器人平衡實(shí)際，它要求ZMP點(diǎn)必需位于支撐面內(nèi)。 根據(jù)義務(wù)要求設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人構(gòu)

2、造，得到重力的大??；再由運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃確定重力的位置和慣性力，計(jì)算出期望ZMP位置，并進(jìn)展穩(wěn)定性分析和驗(yàn)證，保證期望ZMP落入支撐面內(nèi)。 由于建模和計(jì)算誤差，實(shí)踐ZMP與期望ZMP會(huì)存在一定誤差，能夠會(huì)呵斥雙足機(jī)器人的失穩(wěn)。因此，必需實(shí)時(shí)監(jiān)控期望ZMP與實(shí)踐ZMP的偏向，并進(jìn)展相應(yīng)的補(bǔ)償。第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例 ZMP位置檢測(cè)需求六維力傳感器獲取地面反力信息；另外，擺動(dòng)腿著地時(shí)與地面間的沖擊力，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性同樣起到至關(guān)重要的作用。 仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)采用六維力/力矩傳感器IFS-105M50A220-I63構(gòu)成實(shí)踐ZMP檢測(cè)系統(tǒng)，控制軟件包括： 1、采集地面反力數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展處

3、置。 2、計(jì)算機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)踐ZMP位置。第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例 右圖為ZMP行走模型，重力和慣性力構(gòu)成機(jī)器人的廣義力，廣義力的延伸線落在地面上的點(diǎn)，即為期望的ZMP，對(duì)該點(diǎn)的廣義力矩為零。 假設(shè)作用在機(jī)器人腳底的實(shí)踐地面反力包括垂直反力和摩擦力中心與期望的ZMP重合，并落在支撐面上，那么對(duì)于機(jī)器人無(wú)翻轉(zhuǎn)力矩，從而使機(jī)器人處于穩(wěn)定行走形狀。 假設(shè)不重合，那么能夠存在翻轉(zhuǎn)力矩因運(yùn)動(dòng)軌跡已經(jīng)規(guī)劃好。第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例 期望ZMP的位置可經(jīng)過(guò)實(shí)踐構(gòu)造的尺寸、質(zhì)量、步態(tài)規(guī)劃進(jìn)展計(jì)算。 六維力/力矩傳感器的最正確位置應(yīng)在踝關(guān)節(jié)以下，越接近地面越好。 根據(jù)丈量得到的力和力矩值，由傳感器

4、數(shù)學(xué)模型右圖，可以計(jì)算出實(shí)踐的ZMP值：0Ma)(gpmPAMFPS第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例 期望ZMP與實(shí)踐ZMP不重合產(chǎn)生的附加翻轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算公式為：向廣義力（向廣義力（向廣義力（向廣義力（實(shí)際期望實(shí)際期望旋轉(zhuǎn)實(shí)際期望側(cè)向?qū)嶋H期望前向X)-Y)-Z)-Z)-ZMPZMPZMPZMPZMPZMPZMPZMPYYXXTYYTXXT 參考上述公式，為了消除翻轉(zhuǎn)力矩，必需消除期望ZMP與實(shí)踐ZMP的偏向；因此，平衡戰(zhàn)略為： 1、改動(dòng)機(jī)器人行走步態(tài)，改動(dòng)實(shí)踐ZMP的位置。 2、改動(dòng)慣性力的大小，改動(dòng)期望ZMP的位置。第五節(jié) 感知與智能運(yùn)用系統(tǒng)實(shí)例二、基于傳感器的機(jī)器人智能行走 基于ZMP實(shí)際的

5、步態(tài)規(guī)劃在線調(diào)整可以有： 1、根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整支撐腳步態(tài)，從而改動(dòng)實(shí)踐地面反力中心，使實(shí)踐ZMP到達(dá)恰當(dāng)?shù)奈恢?，與期望ZMP重合。 2、根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩從而改動(dòng)各桿件的加速度和機(jī)器人慣性力的大小，使期望ZMP與實(shí)踐ZMP重合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。第七章第七章 機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么第二節(jié)第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 特種機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)特種機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么7.1.1 普通設(shè)計(jì)技術(shù)一、設(shè)計(jì)原那么與步驟、方法 作為一種典型的機(jī)電設(shè)備，機(jī)

6、電設(shè)備的普通設(shè)計(jì)原那么同樣適用于機(jī)器人；但機(jī)器人又有它獨(dú)特的一面，如：多自在度、非線性、強(qiáng)耦合、剛性差、智能化要求高等，必需注重它特有的設(shè)計(jì)方法學(xué)研討，明確機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)，以及兩者之間的聯(lián)絡(luò)與協(xié)調(diào)。 普通設(shè)計(jì)過(guò)程：首先進(jìn)展整體功能、整體參數(shù)設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)各個(gè)部分的細(xì)節(jié) 機(jī)器人設(shè)計(jì)的兩個(gè)根本原那么： 整體性原那么和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先于機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)原那么。第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么1、整體性原那么 機(jī)器人的普通設(shè)計(jì)過(guò)程： 首先設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體功能、整體參數(shù)，然后設(shè)計(jì)各個(gè)部分的細(xì)節(jié)。 設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)要充分思索各方面因數(shù)及相互影響，而不是進(jìn)展簡(jiǎn)單的機(jī)械構(gòu)造或控制

7、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 1、系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì) 機(jī)械構(gòu)造與控制系統(tǒng)的分工，突出各自的優(yōu)點(diǎn)和特征。 2、機(jī)械與控制系統(tǒng)間的關(guān)系與協(xié)調(diào)。 3、機(jī)械、控制、傳感器、軟件、硬件之間的兼容。 4、現(xiàn)有技術(shù)的整合與集成。 第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么 5、性能與本錢之間的折中。 6、各部分進(jìn)度的合理安排與協(xié)調(diào)。2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先原那么 也稱為實(shí)際設(shè)計(jì)優(yōu)先于實(shí)踐設(shè)計(jì)原那么。 普通的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程：方案論證、設(shè)計(jì)與計(jì)算、裝配圖設(shè)計(jì)、零件圖設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)。 為什么要控制系統(tǒng)優(yōu)先？ 機(jī)械系統(tǒng)的性能普通是開環(huán)構(gòu)成的，而控制系統(tǒng)普通按閉環(huán)新型控制，機(jī)器人的性能主要經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)來(lái)保證。 因此，

8、從方案論證階段就要優(yōu)先思索控制系統(tǒng)的作用和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，結(jié)合控制系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)條件，對(duì)機(jī)械構(gòu)造提出指點(diǎn)性建議。 第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括方案設(shè)計(jì)、仿真與計(jì)算、市場(chǎng)調(diào)查等內(nèi)容。 經(jīng)過(guò)研討機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)，可以為機(jī)械系統(tǒng)的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指點(diǎn)。例如：任務(wù)空間確實(shí)定、防止奇特點(diǎn)、減速比的選定、具有解析逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的構(gòu)型特征等。 例如：在機(jī)器人的任務(wù)空間與各關(guān)節(jié)變量之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，必需經(jīng)過(guò)復(fù)雜計(jì)算，或借助CAD工具來(lái)完成。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不能提出不可實(shí)現(xiàn)的要求，必需思索機(jī)械系統(tǒng)的才干。第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)

9、原那么么機(jī)器人的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)階段： 1、總體方案設(shè)計(jì) 1、市場(chǎng)調(diào)查 了解同類產(chǎn)品的性能、特點(diǎn)和缺乏，估算本錢與收益，評(píng)價(jià)市場(chǎng)開發(fā)前景。 2、明確機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 明確機(jī)器人的義務(wù)要求，分析任務(wù)環(huán)境，確定任務(wù)空間、位置精度、負(fù)載等要求。 3、明確功能要求、性能目的和技術(shù)參數(shù) 明確提出機(jī)器人應(yīng)具有的功能、性能目的和技術(shù)參數(shù)。 4、方案比較 初步提出假設(shè)干總體設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)工藝、技術(shù)、價(jià)值等分析選擇最正確方案。第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么2、詳細(xì)設(shè)計(jì) 1、機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)總體功能要求選擇適宜的控制方案：集中式或分布式。然后設(shè)計(jì)或選擇控制硬件，包括：控制器、傳感器

10、、驅(qū)動(dòng)元件等。 2、機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì) 1機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜，2更突出剛度和精度設(shè)計(jì)。3思索機(jī)械構(gòu)造對(duì)伺服系統(tǒng)快速呼應(yīng)才干的影響。4思索機(jī)械皆振頻率對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、快速性、軌跡精度等的影響。5構(gòu)造緊湊性、乖巧性要求更高。如：大傳動(dòng)比減速器，電機(jī)與傳動(dòng)系一致體化元件。6美觀、大方。7采用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，如;模塊化設(shè)計(jì)，CAD。第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么 3、制造、安裝、調(diào)試 1元件的挑選，零件的檢驗(yàn)。2先進(jìn)展子系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，再總體安裝，最后聯(lián)調(diào)。 4、編寫設(shè)計(jì)文檔 1貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。2便于改良、晉級(jí)。3閱歷的總結(jié)與積累。設(shè)計(jì)文檔通常包括： 、 、 。等等。 設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷往

11、復(fù)的過(guò)程，開頭是關(guān)鍵。第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么么二、設(shè)計(jì)方法 由于機(jī)器人開發(fā)復(fù)雜性，必需采用最先進(jìn)的技術(shù)與工具。 1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 2、仿真與虛擬設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAMS，控制系統(tǒng)仿真工具M(jìn)atlab。 3、仿生設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原那么7.1.2 仿生設(shè)計(jì)方法 仿生學(xué)是一門將有關(guān)的生物學(xué)原理運(yùn)用到工程系統(tǒng)的研討與設(shè)計(jì)中的學(xué)科。 一、構(gòu)造仿生 1、海洋動(dòng)物仿生 2、蛇類仿生 3、變形蟲仿生 4、人體仿生 二、功能仿生 1、大腦功能仿生 2、感知仿生 3、運(yùn)動(dòng)仿生第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與目的 1

12、、任務(wù)空間 2、運(yùn)動(dòng)自在度：普通連桿系的自在度M：其中：n連桿根數(shù)，m運(yùn)動(dòng)副引入的對(duì)連桿的約束數(shù)；Nm具有約束數(shù)m的連桿的根數(shù)。 3、有效負(fù)載：機(jī)器人任務(wù)時(shí)所能接受的力或力矩。 4、運(yùn)動(dòng)精度：包括位置精度、反復(fù)定位精度和系統(tǒng)分辨率。 mmMnM-6第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5、速度：主要運(yùn)動(dòng)自在度的最大穩(wěn)定速度； 最大允許的加、減速度，它們?cè)獾津?qū)動(dòng)功率和系統(tǒng)剛度的限制。 6、動(dòng)態(tài)特性 構(gòu)造動(dòng)態(tài)與質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率、系統(tǒng)模態(tài)等有關(guān)。 7、經(jīng)濟(jì)性目的 包括初始投資和運(yùn)轉(zhuǎn)本錢。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.2.2 系統(tǒng)總體功能和方案設(shè)計(jì) 機(jī)器人設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)

13、、計(jì)算機(jī)運(yùn)用和自動(dòng)控制，是跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)，應(yīng)作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)展任務(wù)。從總體出發(fā)研討系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間和外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有： 1整體性，2相關(guān)性，3目的性，4環(huán)境順應(yīng)性。 明確功能，提出多種方案，優(yōu)選方案，明確技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.2.3 分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一、機(jī)械構(gòu)造分系統(tǒng) 1手部構(gòu)造：即手爪或末端執(zhí)行器，用于機(jī)器人作業(yè)。 2手腕系統(tǒng)：用于改動(dòng)手部的空間方位，和將任務(wù)載荷傳送到手臂。 3手臂構(gòu)造：改動(dòng)手部的空間位置，滿足機(jī)器人的任務(wù)空間，將載荷傳送到機(jī)座。 4機(jī)座：起支撐作用。 二、控制分系統(tǒng)：由控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)安裝伺服控制器

14、組成。 1、控制分系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1機(jī)器人的控制與他的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)有密不可分的關(guān)系。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2描畫機(jī)器人形狀和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性模型。 3工業(yè)機(jī)器人的任一位姿都可以經(jīng)過(guò)不同的方式和途徑到達(dá)。 2、控制分系統(tǒng)的根本功能 1示教功能 2運(yùn)動(dòng)控制功能 3、工業(yè)機(jī)器人的控制方式 1點(diǎn)位控制方式 2延續(xù)軌跡控制方式 4、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1硬件：傳感安裝、控制安裝、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)安裝。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2軟件：運(yùn)動(dòng)軌跡算法、關(guān)節(jié)伺服控制算法、接口部分實(shí)現(xiàn)。3、智能分系統(tǒng) 目前，機(jī)器人系統(tǒng)中的研討重點(diǎn)。主要包括兩部分： 1、感知系統(tǒng)：主要靠硬件，

15、特別是各種傳感器，結(jié)合微處置器和相關(guān)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)感知控制。 2、分析決策規(guī)劃系統(tǒng)：主要由軟件實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)搜集、表達(dá)、分析整理各種數(shù)據(jù)和實(shí)踐閱歷，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策，如：專家系統(tǒng)，方式識(shí)別。 第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.2.4 系統(tǒng)內(nèi)外部接口設(shè)計(jì) 1、機(jī)械接口 主要采用螺栓、螺釘?shù)茹暯蛹潭ㄣ暯?，?duì)一些易損件和經(jīng)常改換的外部設(shè)備，多采用卡口式銜接方式。 2、通訊接口 機(jī)器人與傳感器之間主要采用AI/O、DI/D接口。 1、串行通訊接口RS232C：可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式 。 2、串行接口RS485：RS-485采用主從式構(gòu)造系統(tǒng)，可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)；通訊方式以主站輪詢的方式進(jìn)展，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠

16、性較差。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、FireWire總線下面所列是FireWire總線的一些特點(diǎn)： 采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型，一切銜接設(shè)備建立一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備之間可以相互通訊而不經(jīng)過(guò)主機(jī)。 單一總線最多銜接63個(gè)物理節(jié)點(diǎn) 支持三種速率方式：100 Mbps、200 Mbps和400 Mbps。 支持等時(shí)和異步兩種傳輸方式。 等時(shí)傳輸：按一定的速率進(jìn)展傳輸，擁有固定的帶寬， 異步傳輸：經(jīng)過(guò)獨(dú)一地址指定呼應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通訊時(shí)懇求方與呼應(yīng)方需求進(jìn)展聯(lián)絡(luò)。 以125s為循環(huán)周期第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用六線制，包括兩對(duì)雙絞線和一對(duì)電源線。一對(duì)雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，另一對(duì)傳輸選通訊號(hào)。 采用四層傳輸協(xié)議，由上至下依次為：總線管理層、事務(wù)層、鏈路層和物理層。 支持即插即用。 設(shè)備可以自供電或由總線供電。 FireWire總線可以銜接多種外部設(shè)備，包括：大容量存儲(chǔ)器、視頻輸出設(shè)備、文娛設(shè)備、小型網(wǎng)絡(luò)和視頻會(huì)議設(shè)備等。第二節(jié) 普通工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4、CAN總線 CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。 CAN總線在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 1、網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性強(qiáng)： 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)，采用逐位仲