機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)

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1、第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 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 應(yīng) 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 移動(dòng) 和 改 變 ， 在 任 何 時(shí) 刻 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) 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

2、 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、 移 動(dòng) 過(guò) 度 階 段 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實(shí) 例仿 人 機(jī) 器 人 智 能 行 走 系 統(tǒng)一 、 ZMP理 論 與 計(jì) 算 ZMP(零 矩 點(diǎn) )控 制 是 目 前 應(yīng) 用 比 較 成 功 的 雙 足 機(jī)器 人 平 衡 理 論 ， 它 要 求 ZMP點(diǎn) 必 須 位 于 支 撐 面 內(nèi) 。 根 據(jù) 任 務(wù) 要 求 設(shè) 計(jì) 雙 足 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) ， 得 到 重 力 的大 小 ； 再 由 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 規(guī) 劃 確 定 重 力 的 位

3、 置 和 慣 性 力 ，計(jì) 算 出 期 望 ZMP位 置 ， 并 進(jìn) 行 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) 際 ZMP與 期 望 ZMP會(huì) 存在 一 定 誤 差 ， 可 能 會(huì) 造 成 雙 足 機(jī) 器 人 的 失 穩(wěn) 。 因 此 ，必 須 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 期 望 ZMP與 實(shí) 際 ZMP的 偏 差 ， 并 進(jìn) 行 相應(yīng) 的 補(bǔ) 償 。 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實(shí) 例 ZMP位 置 檢 測(cè) 需 要 六 維 力 傳 感 器 獲 取 地面 反 力 信 息 ； 另 外 ， 擺 動(dòng) 腿

4、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) 際 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) 行 處理 。 2、 計(jì) 算 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 實(shí) 際 ZMP位 置 。 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 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

5、， 廣 義 力 的 延 長(zhǎng) 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 。 如 果 作 用 在 機(jī) 器 人 腳 底的 實(shí) 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(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 狀 態(tài) 。 如 果 不 重 合 ， 則 可 能 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 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實(shí) 例 期 望 ZMP

6、的 位 置 可 通 過(guò) 實(shí) 際 結(jié) 構(gòu) 的 尺 寸 、質(zhì) 量 、 步 態(tài) 規(guī) 劃 進(jìn) 行 計(jì) 算 。 六 維 力 /力 矩 傳 感 器 的 最 佳 位 置 應(yīng) 在 踝關(guān) 節(jié) 以 下 ， 越 接 近 地 面 越 好 。 根 據(jù) 測(cè) 量 得 到 的 力 和 力 矩 值 ， 由 傳 感 器數(shù) 學(xué) 模 型 （ 右 圖 ） ， 可 以 計(jì) 算 出 實(shí) 際 的 ZMP值 ： 0Ma)(g p mPAMFPS 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 實(shí) 例 期 望 ZMP與 實(shí) 際 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

7、 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 實(shí) 際期 望前 向 X)- Y)- Z)- Z)- ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP ZMPZMP YY XXT YYT XXT 參 考 上 述 公 式 ， 為 了 消 除 翻 轉(zhuǎn) 力 矩 ， 必 須 消 除期 望 ZMP與 實(shí) 際 ZMP的 偏 差 ； 因 此 ， 平 衡 策 略 為 ： 1、 改 變 機(jī) 器 人 行 走 步 態(tài) ， 改 變 實(shí) 際 ZMP的 位 置 。 2、 改 變 慣 性 力 的 大 小 ， 改 變 期 望 ZMP的 位 置 。 第 五 節(jié) 感 知 與 智 能 應(yīng) 用 系 統(tǒng)

8、實(shí) 例二 、 基 于 傳 感 器 的 機(jī) 器 人 智 能 行 走 基 于 ZMP理 論 的 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 變 實(shí) 際 地 面 反 力 中 心 ， 使 實(shí) 際 ZMP達(dá) 到恰 當(dāng) 的 位 置 ， 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 變 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) 際 ZMP重 合 ， 實(shí)現(xiàn) 穩(wěn) 定 行 走 。 第 七 章 機(jī) 器 人 設(shè)

9、 計(jì) 技 術(shù)第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則第 二 節(jié) 一 般 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)第 三 節(jié) 特 種 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則7.1.1 一 般 設(shè) 計(jì) 技 術(shù)一 、 設(shè) 計(jì) 原 則 與 步 驟 、 方 法 作 為 一 種 典 型 的 機(jī) 電 設(shè) 備 ， 機(jī) 電 設(shè) 備 的 一 般設(shè) 計(jì) 原 則 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 由 度 、 非 線 性 、 強(qiáng) 耦 合 、 剛性 差 、 智 能 化 要 求 高 等 ， 必 須 重 視 它 特 有 的

10、 設(shè) 計(jì)方 法 學(xué) 研 究 ， 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) 系 與 協(xié) 調(diào) 。 一 般 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 ： 首 先 進(jìn) 行 整 體 功 能 、 整 體 參數(shù) 設(shè) 計(jì) ， 然 后 設(shè) 計(jì) 各 個(gè) 局 部 的 細(xì) 節(jié) 機(jī) 器 人 設(shè) 計(jì) 的 兩 個(gè) 基 本 原 則 ： 整 體 性 原 則 和 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 優(yōu) 先 于 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè)計(jì) 原 則 。 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則1、 整 體 性 原 則 機(jī) 器 人 的 一 般 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 ： 首 先 設(shè) 計(jì) 機(jī) 器 人 的 整 體 功 能 、

11、 整 體 參 數(shù) ， 然 后設(shè) 計(jì) 各 個(gè) 局 部 的 細(xì) 節(jié) 。 設(shè) 計(jì) 機(jī) 器 人 時(shí) 要 充 分 考 慮 各 方 面 因 數(shù) 及 相 互 影響 ， 而 不 是 進(jìn) 行 簡(jiǎn) 單 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 或 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 。 1） 、 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 與 控 制 系 統(tǒng) 的 分 工 ， 突 出 各 自 的 優(yōu)點(diǎn) 和 特 色 。 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) 設(shè) 計(jì) 方

12、 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則 5） 、 性 能 與 成 本 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 則 也 稱 為 理 論 設(shè) 計(jì) 優(yōu) 先 于 實(shí) 際 設(shè) 計(jì) 原 則 。 一 般 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 一 般 是 開(kāi) 環(huán) 形 成 的 ， 而 控 制系 統(tǒng) 一 般 按 閉 環(huán) 新 型 控 制 ， 機(jī) 器 人 的 性

13、 能 主 要 通過(guò) 經(jīng) 過(guò) 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 的 控 制 系 統(tǒng) 來(lái) 保 證 。 因 此 ， 從 方 案 論 證 階 段 就 要 優(yōu) 先 考 慮 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 結(jié) 構(gòu) 提 出 指 導(dǎo) 性 建 議 。 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則 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 。 通 過(guò) 研 究 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)

14、計(jì)提 供 指 導(dǎo) 。 例 如 ： 工 作 空 間 的 確 定 、 避 免 奇異 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 工 作 空 間 與 各 關(guān) 節(jié) 變量 之 間 不 是 簡(jiǎn) 單 的 線 性 關(guān) 系 ， 必 須 通 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 須 考 慮 機(jī) 械 系 統(tǒng) 的 能 力 。 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 可 分 為 三 個(gè) 階 段 ： 1、

15、 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 不 足 ， 估 算 成 本與 收 益 ， 評(píng) 估 市 場(chǎng) 開(kāi) 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 任 務(wù) 要 求 ， 分 析 工 作 環(huán) 境 ， 確 定工 作 空 間 、 位 置 精 度 、 負(fù) 載 等 要 求 。 （ 3） 、 明 確 功 能 要 求 、 性 能 指 標(biāo) 和 技 術(shù) 參 數(shù) 明 確 提 出 機(jī) 器 人 應(yīng) 具 有 的 功 能 、 性 能 指 標(biāo) 和 技術(shù) 參 數(shù) 。 （ 4） 、 方 案 比 較 初 步 提 出

16、若 干 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 ， 通 過(guò) 工 藝 、 技 術(shù) 、價(jià) 值 等 分 析 選 擇 最 佳 方 案 。 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則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 合 適 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 、 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） 考 慮 機(jī) 械

17、 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 伺 服 系 統(tǒng) 快 速 響 應(yīng) 能 力 的 影 響 。4） 考 慮 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） 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 性 、 靈 巧 性 要 求 更高 。 如 ： 大 傳 動(dòng) 比 減 速 器 ， 電 機(jī) 與 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 一 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) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則 （ 3） 、 制 造 、 安 裝 、 調(diào) 試 1） 元 件 的 篩 選 ， 零 件 的 檢 驗(yàn) 。 2）

18、先 進(jìn) 行 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 進(jìn) 、 升 級(jí) 。3） 經(jīng) 驗(yàn) 的 總 結(jié) 與 積 累 。設(shè) 計(jì) 文 檔 通 常 包 括 ： 機(jī) 器 人 設(shè) 計(jì) 功 能 要 求 書(shū) 市 場(chǎng) 調(diào) 查 報(bào) 告 、 方 案 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 圖 紙 、 外 購(gòu) 件 清 單 調(diào) 試 說(shuō) 明 和 出 現(xiàn) 的 問(wèn) 題 及 解 決 方 法 技 術(shù) 難 題 、 末 解 決 的 問(wèn) 題 和 以 后 的 展 望 。 。 。 。 。 等 等 。 設(shè) 計(jì) 是 一 個(gè) 不 斷 往

19、 復(fù) 的 過(guò) 程 ， 開(kāi) 頭 是 關(guān) 鍵 。 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則二 、 設(shè) 計(jì) 方 法 由 于 機(jī) 器 人 開(kāi) 發(fā) 復(fù) 雜 性 ， 必 須 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 Matlab。 3、 仿 生 設(shè) 計(jì) 第 一 節(jié) 設(shè) 計(jì) 方 法 與 設(shè) 計(jì) 原 則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 應(yīng) 用到 工 程 系 統(tǒng) 的 研 究 與 設(shè) 計(jì) 中

20、的 學(xué) 科 。 一 、 結(jié) 構(gòu) 仿 生 1、 海 洋 動(dòng) 物 仿 生 2、 蛇 類 仿 生 3、 變 形 蟲(chóng) 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) 一 般 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 指 標(biāo) 1、 工 作 空 間 2、 運(yùn) 動(dòng) 自 由 度 ： 一 般 連 桿 系 的 自 由 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

21、人 工 作 時(shí) 所 能 承 受的 力 或 力 矩 。 4、 運(yùn) 動(dòng) 精 度 ： 包 括 位 置 精 度 、 重 復(fù) 定位 精 度 和 系 統(tǒng) 分 辨 率 。 mmMnM -6 第 二 節(jié) 一 般 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 5、 速 度 ： 主 要 運(yùn) 動(dòng) 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(qū)動(dòng) 功 率 和 系 統(tǒng) 剛 度 的 限 制 。 6、 動(dòng) 態(tài) 特 性 結(jié) 構(gòu) 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 指 標(biāo) 包

22、括 初 始 投 資 和 運(yùn) 行 成 本 。 第 二 節(jié) 一 般 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) 、 計(jì) 算 機(jī)應(yīng) 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) 行 工 作 。 從 總 體 出 發(fā) 研 究 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) 境適 應(yīng)

23、 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) 一 般 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 結(jié) 構(gòu) 分 系 統(tǒng) 1） 手 部 結(jié) 構(gòu) ： 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 變 手 部 的 空 間 方 位 ， 和將 工 作 載 荷 傳 遞 到 手 臂 。 3） 手 臂 結(jié) 構(gòu) ： 改 變 手 部 的 空 間 位 置 ， 滿 足 機(jī)器 人 的 工 作 空 間 ， 將 載 荷

24、 傳 遞 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) 裝 置 伺 服控 制 器 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) 一 般 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 2） 描 述 機(jī) 器 人 狀 態(tài) 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 通 過(guò) 不 同 的 方式 和 路 徑 達(dá) 到 。

25、2、 控 制 分 系 統(tǒng) 的 基 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） 連 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 裝 置 、 控 制 裝 置 、 關(guān) 節(jié) 伺 服 驅(qū)動(dòng) 裝 置 。 第 二 節(jié) 一 般 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 究

26、 重 點(diǎn) 。 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(jié) 合 微 處 理 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) ，通 過(guò) 收 集 、 表 達(dá) 、 分 析 整 理 各 種 數(shù) 據(jù) 和 實(shí) 際 經(jīng) 驗(yàn) ，實(shí) 現(xiàn) 科 學(xué) 決 策 ， 如 ： 專 家 系 統(tǒng) ， 模 式 識(shí) 別 。 第 二 節(jié) 一 般 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 等

27、 連 接 件 固 定 連 接 ， 對(duì) 一 些易 損 件 和 經(jīng) 常 更 換 的 外 部 設(shè) 備 ， 多 采 用 卡 口 式 連 接方 式 。 2、 通 信 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 信 方 式 。 2、 串 行 接 口 RS485： RS-485采 用 主 從 式 結(jié) 構(gòu)系 統(tǒng) ， 可 以 掛 接 32個(gè) 節(jié) 點(diǎn) ； 通 信 方 式 以 主 站 輪 詢 的方 式 進(jìn) 行 ， 系 統(tǒng) 的 實(shí) 時(shí) 性 、 可 靠 性 較 差 。 第 二 節(jié) 一 般 工

28、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 ， 所 有 連 接 設(shè) 備 建 立 一 種 對(duì) 等網(wǎng) 絡(luò) ， 設(shè) 備 之 間 可 以 互 相 通 信 而 不 通 過(guò) 主 機(jī) 。 單 一 總 線 最 多 連 接 63個(gè) 物 理 節(jié) 點(diǎn) 支 持 三 種 速 率 模 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) 行 傳 輸 ， 擁 有 固 定 的帶 寬 ， 異 步 傳 輸

29、： 通 過(guò) 惟 一 地 址 指 定 響 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) ， 通 信 時(shí)請(qǐng) 求 方 與 響 應(yīng) 方 需 要 進(jìn) 行 聯(lián) 絡(luò) 。 以 125s為 循 環(huán) 周 期 第 二 節(jié) 一 般 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 信 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 。 FireWi

30、re總 線 可 以 連 接 多 種 外 部 設(shè) 備 ， 包括 ： 大 容 量 存 儲(chǔ) 器 、 視 頻 輸 出 設(shè) 備 、 娛 樂(lè) 設(shè)備 、 小 型 網(wǎng) 絡(luò) 和 視 頻 會(huì) 議 設(shè) 備 等 。 第 二 節(jié) 一 般 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 實(shí) 時(shí) 控 制的 串 行 通 信 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 信 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)

31、， 采 用逐 位 仲 裁 的 方 式 競(jìng) 爭(zhēng) 向 總 線 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) ， 且 廢 除 了 站地 址 編 碼 ， 代 之 以 對(duì) 通 信 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 編 碼 ， 這 可 使 不同 的 節(jié) 點(diǎn) 同 時(shí) 接 收 到 相 同 的 數(shù) 據(jù) ， 第 二 節(jié) 一 般 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 2） 、 縮 短 開(kāi) 發(fā) 周 期 已 形 成 國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) 的 現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 ， 與 一 般 的通 信 總 線 相 比 ,CAN總 線 的 數(shù) 據(jù) 通 信 具 有 突 出的 可 靠 性 、 實(shí) 時(shí) 性 和 靈 活 性 。 它 在 汽 車 領(lǐng) 域上 的 應(yīng) 用 是 最 廣 泛 的 ， 是 最 有 前 途 的 現(xiàn) 場(chǎng) 總線 之 一 。 接 口 技 術(shù) 不 斷 發(fā) 展 中 ， 一 些 專 用 設(shè) 備 采用 專 有 接 口 技 術(shù) 。 第 三 節(jié) 特 種 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)作 業(yè) ： 通 過(guò) 市 場(chǎng) 調(diào) 查 ， 提 出 一 種 具 有 市 場(chǎng) 前 景的 機(jī) 器 人 方 案 。 包 括 ： 名 稱 、 市 場(chǎng) 分 析 、 國(guó) 內(nèi) 外 發(fā) 展 情況 、 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 、 方 案 論 證 等 內(nèi) 容 。