《机器人设计技术》PPT课件

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1、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

2、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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02第五节

3、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Z

4、MP，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）。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

5、：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。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

6、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

7、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

8、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