第十三講 機器人設計技術

第十三講機器人設計技術山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例仿人機器人智能行走系統(tǒng)人體在行走的過程中，其重心不斷地周期性移動和改變，在任何時刻至少有一只腳與地面接觸，而其中一段是兩只腳同時著地。單支撐和雙支撐交替進行，但只有單支撐和雙支撐在行走周期中所占比例合理，才能保持身體平衡。雙足行走周期：三個階段：1、單腳支撐階段，也稱擺腿階段。2、雙腳支撐階段3、移動過度階段第二頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例仿人機器人智能行走系統(tǒng)一、ZMP理論與計算

ZMP(零矩點)控制是目前應用比較成功的雙足機器人平衡理論，它要求ZMP點必須位于支撐面內。根據(jù)任務要求設計雙足機器人結構，得到重力的大小；再由運動軌跡規(guī)劃確定重力的位置和慣性力，計算出期望ZMP位置，并進行穩(wěn)定性分析和驗證，保證期望ZMP落入支撐面內。由于建模和計算誤差，實際ZMP與期望ZMP會存在一定誤差，可能會造成雙足機器人的失穩(wěn)。因此，必須實時監(jiān)控期望ZMP與實際ZMP的偏差，并進行相應的補償。第三頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例ZMP位置檢測需要六維力傳感器獲取地面反力信息；另外，擺動腿著地時與地面間的沖擊力，對于運動過程的穩(wěn)定性同樣起到至關重要的作用。仿人機器人行走系統(tǒng)采用六維力/力矩傳感器IFS-105M50A220-I63構成實際ZMP檢測系統(tǒng)，控制軟件包括：1、采集地面反力數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進行處理。2、計算機器人系統(tǒng)的實際ZMP位置。第四頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例

右圖為ZMP行走模型，重力和慣性力構成機器人的廣義力，廣義力的延長線落在地面上的點，即為期望的ZMP，對該點的廣義力矩為零。如果作用在機器人腳底的實際地面反力（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，則對于機器人無翻轉力矩，從而使機器人處于穩(wěn)定行走狀態(tài)。如果不重合，則可能存在翻轉力矩（因運動軌跡已經(jīng)規(guī)劃好）。第五頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例

期望ZMP的位置可通過實際結構的尺寸、質量、步態(tài)規(guī)劃進行計算。六維力/力矩傳感器的最佳位置應在踝關節(jié)以下，越接近地面越好。根據(jù)測量得到的力和力矩值，由傳感器數(shù)學模型（右圖），可以計算出實際的ZMP值：第六頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例期望ZMP與實際ZMP不重合產(chǎn)生的附加翻轉力矩的計算公式為：參考上述公式，為了消除翻轉力矩，必須消除期望ZMP與實際ZMP的偏差；因此，平衡策略為：1、改變機器人行走步態(tài)，改變實際ZMP的位置。2、改變慣性力的大小，改變期望ZMP的位置。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第五節(jié)感知與智能應用系統(tǒng)實例二、基于傳感器的機器人智能行走基于ZMP理論的步態(tài)規(guī)劃在線調整可以有：1、根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，調整支撐腳步態(tài)，從而改變實際地面反力中心，使實際ZMP達到恰當?shù)奈恢?，與期望ZMP重合。2、根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，調整各關節(jié)的驅動力矩從而改變各桿件的加速度和機器人慣性力的大小，使期望ZMP與實際ZMP重合，實現(xiàn)穩(wěn)定行走。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第七章機器人設計技術第一節(jié)設計方法與設計原則第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計第三節(jié)特種機器人系統(tǒng)設計第九頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則7.1.1一般設計技術一、設計原則與步驟、方法作為一種典型的機電設備，機電設備的一般設計原則同樣適用于機器人；但機器人又有它獨特的一面，如：多自由度、非線性、強耦合、剛性差、智能化要求高等，必須重視它特有的設計方法學研究，明確機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的功能與特點，以及兩者之間的聯(lián)系與協(xié)調。一般設計過程：首先進行整體功能、整體參數(shù)設計，然后設計各個局部的細節(jié)機器人設計的兩個基本原則：整體性原則和控制系統(tǒng)設計優(yōu)先于機械結構設計原則。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則1、整體性原則機器人的一般設計過程：首先設計機器人的整體功能、整體參數(shù)，然后設計各個局部的細節(jié)。設計機器人時要充分考慮各方面因數(shù)及相互影響，而不是進行簡單的機械結構或控制系統(tǒng)設計。1）、系統(tǒng)結構設計機械結構與控制系統(tǒng)的分工，突出各自的優(yōu)點和特色。2）、機械與控制系統(tǒng)間的關系與協(xié)調。3）、機械、控制、傳感器、軟件、硬件之間的兼容。4）、現(xiàn)有技術的整合與集成。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則5）、性能與成本之間的折中。6）、各部分進度的合理安排與協(xié)調。2、控制系統(tǒng)設計優(yōu)先原則也稱為理論設計優(yōu)先于實際設計原則。一般的機械產(chǎn)品設計過程：方案論證、設計與計算、裝配圖設計、零件圖設計、電氣設計。為什么要控制系統(tǒng)優(yōu)先？機械系統(tǒng)的性能一般是開環(huán)形成的，而控制系統(tǒng)一般按閉環(huán)新型控制，機器人的性能主要通過經(jīng)過優(yōu)化設計的控制系統(tǒng)來保證。因此，從方案論證階段就要優(yōu)先考慮控制系統(tǒng)的作用和實現(xiàn)問題，結合控制系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)條件，對機械結構提出指導性建議。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則

控制系統(tǒng)的設計包括方案設計、仿真與計算、市場調查等內容。通過研究機器人的運動學、動力學和控制系統(tǒng)，可以為機械系統(tǒng)的選型和優(yōu)化設計提供指導。例如：工作空間的確定、避免奇異點、減速比的選定、具有解析逆運動學解的構型特征等。例如：在機器人的工作空間與各關節(jié)變量之間不是簡單的線性關系，必須通過復雜計算，或借助CAD工具來完成?？刂葡到y(tǒng)設計也不能提出不可實現(xiàn)的要求，必須考慮機械系統(tǒng)的能力。第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則機器人的設計可分為三個階段：1、總體方案設計（1）、市場調查了解同類產(chǎn)品的性能、特點和不足，估算成本與收益，評估市場開發(fā)前景。（2）、明確機器人的設計要求明確機器人的任務要求，分析工作環(huán)境，確定工作空間、位置精度、負載等要求。（3）、明確功能要求、性能指標和技術參數(shù)明確提出機器人應具有的功能、性能指標和技術參數(shù)。（4）、方案比較初步提出若干總體設計方案，通過工藝、技術、價值等分析選擇最佳方案。第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則2、詳細設計（1）、機器人的控制系統(tǒng)設計根據(jù)總體功能要求選擇合適的控制方案：集中式或分布式。然后設計或選擇控制硬件，包括：控制器、傳感器、驅動元件等。（2）、機器人的機械設計1）機械系統(tǒng)復雜，2）更突出剛度和精度設計。3）考慮機械結構對伺服系統(tǒng)快速響應能力的影響。4）考慮機械皆振頻率對運動穩(wěn)定性、快速性、軌跡精度等的影響。5）結構緊湊性、靈巧性要求更高。如：大傳動比減速器，電機與傳動系統(tǒng)一體化元件。6）美觀、大方。7）采用先進設計方法，如;模塊化設計，CAD。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則

（3）、制造、安裝、調試1）元件的篩選，零件的檢驗。2）先進行子系統(tǒng)的安裝與調試，再總體安裝，最后聯(lián)調。（4）、編寫設計文檔1）貫穿整個設計過程。2）便于改進、升級。3）經(jīng)驗的總結與積累。設計文檔通常包括：《機器人設計功能要求書》《市場調查報告》、《方案設計》《設計圖紙》、《外購件清單》《調試說明和出現(xiàn)的問題及解決方法》《技術難題、末解決的問題和以后的展望》。。。。。等等。設計是一個不斷往復的過程，開頭是關鍵。第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則二、設計方法由于機器人開發(fā)復雜性，必須采用最先進的技術與工具。1、計算機輔助設計2、仿真與虛擬設計機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件ADAMS，控制系統(tǒng)仿真工具Matlab。3、仿生設計第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第一節(jié)設計方法與設計原則7.1.2仿生設計方法

仿生學是一門將有關的生物學原理應用到工程系統(tǒng)的研究與設計中的學科。一、結構仿生1、海洋動物仿生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、運動仿生第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計7.2.1設計參數(shù)與指標1、工作空間2、運動自由度：一般連桿系的自由度M：其中：n連桿根數(shù)，m運動副引入的對連桿的約束數(shù)；Nm具有約束數(shù)m的連桿的根數(shù)。3、有效負載：機器人工作時所能承受的力或力矩。4、運動精度：包括位置精度、重復定位精度和系統(tǒng)分辨率。

第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計

5、速度：主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度；最大允許的加、減速度，它們受到驅動功率和系統(tǒng)剛度的限制。6、動態(tài)特性結構動態(tài)與質量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率、系統(tǒng)模態(tài)等有關。7、經(jīng)濟性指標包括初始投資和運行成本。第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計7.2.2系統(tǒng)總體功能和方案設計機器人設計設計機械設計、傳感技術、計算機應用和自動控制，是跨學科的綜合設計，應作為一個系統(tǒng)進行工作。從總體出發(fā)研究系統(tǒng)內各組成部分之間和外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關系。工業(yè)機器人應具有：1）整體性，2）相關性，3）目的性，4）環(huán)境適應性。明確功能，提出多種方案，優(yōu)選方案，明確技術難點和關鍵技術。第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計7.2.3分系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)一、機械結構分系統(tǒng)1）手部結構：即手爪或末端執(zhí)行器，用于機器人作業(yè)。2）手腕系統(tǒng)：用于改變手部的空間方位，和將工作載荷傳遞到手臂。3）手臂結構：改變手部的空間位置，滿足機器人的工作空間，將載荷傳遞到機座。4）機座：起支撐作用。二、控制分系統(tǒng)：由控制計算機和驅動裝置伺服控制器組成。1、控制分系統(tǒng)的特點：1）機器人的控制與他的運動學、動力學有密不可分的關系。第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計2）描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個多變量、非線性模型。3）工業(yè)機器人的任一位姿都可以通過不同的方式和路徑達到。2、控制分系統(tǒng)的基本功能1）示教功能2）運動控制功能3、工業(yè)機器人的控制方式1）點位控制方式2）連續(xù)軌跡控制方式4、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成（1）硬件：傳感裝置、控制裝置、關節(jié)伺服驅動裝置。第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計（2）軟件：運動軌跡算法、關節(jié)伺服控制算法、接口部分實現(xiàn)。3、智能分系統(tǒng)目前，機器人系統(tǒng)中的研究重點。主要包括兩部分：1、感知系統(tǒng)：主要靠硬件，特別是各種傳感器，結合微處理器和相關軟件來實現(xiàn)感知控制。2、分析—決策—規(guī)劃系統(tǒng)：主要由軟件實現(xiàn)，通過收集、表達、分析整理各種數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，實現(xiàn)科學決策，如：專家系統(tǒng)，模式識別。第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計7.2.4系統(tǒng)內外部接口設計1、機械接口主要采用螺栓、螺釘?shù)冗B接件固定連接，對一些易損件和經(jīng)常更換的外部設備，多采用卡口式連接方式。2、通信接口機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：可以實現(xiàn)點對點的通信方式。2、串行接口RS485：RS-485采用主從式結構系統(tǒng)，可以掛接32個節(jié)點；通信方式以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計3、FireWire總線下面所列是FireWire總線的一些特點：

①采用點對點模型，所有連接設備建立一種對等網(wǎng)絡，設備之間可以互相通信而不通過主機。

②單一總線最多連接63個物理節(jié)點

③支持三種速率模式：100

Mbps、200

Mbps和400

Mbps。

④支持等時和異步兩種傳輸方式。等時傳輸：按一定的速率進行傳輸，擁有固定的帶寬，異步傳輸：通過惟一地址指定響應節(jié)點，通信時請求方與響應方需要進行聯(lián)絡。

⑤以125μs為循環(huán)周期第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日山東大學機械工程學院機電工程研究所2010/09/02第二節(jié)一般工業(yè)機器人系統(tǒng)設計

⑥采用六線制，包括兩對雙絞線和一對電源線。一對雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，另一對傳輸選通信號。