第十三讲 机器人设计技术.ppt

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