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1、Motion Control & Locomotion of Robot,Motion Control,一切形式的移动式机器人运行时，运动控制算法都必须考虑以下三个问题： 坐标系如何确定？（机构的局部坐标系，全局坐标，世界坐标系）； -怎样去观察运动才是合理的，符合要求的？-这与机器人运动形式和精度有关，如结构场地的运动，旋翼飞行器在三维空间的运动；2. 当前机器人处于什么位置，目标点在哪里？ -Current Location 的 “定位” 。-机器人的定位。3. 以什么样的方式，沿什么样的路径，向目标点运动？-机器人的驱动控制或导航。,Motion Control,定位的目标是：任何时刻t
2、下，机器人在全局场地（运动平面上）的坐标值（Xc,Yc,c）。若机器人是直线运动，根据v-t曲线，利用初等几何或简单的微积分可以得到机器人的坐标。这是一维运动的情况。在平面上的运动：机器人在场地上的运动路径可能是任意形状，所以使用一种依赖于行走路径的定位方法是不现实的，因为不可能使用一种统一的路径数学模型去描述所有可能的情况。但是如果使用微积分思想，把曲线看成是很多段微小直线组成，就可解决定位问题。,Motion Control,Motion Control,Motion Control Sensors,Encoder 将几何位移量转换成脉冲信号的传感器，是应用广泛的角位移传感元件。Encod
3、er由光栅盘和光电检测元件组成。机器人结构中，Encoder与被测轴同轴，电动机旋转时光栅盘与电机同步旋转。光敏二极管等电子元件组成的检测装置检测，输出脉冲信号，原理如图。Encoder 输出脉冲的数，反映当前电机转角。,Motion Control Sensors,关于运动的方向？Encoder 输出相位相差90的A/B 2个感光元件，产生A、B两路信号，相位相差90。只对某一相信号进行计数，计数结果反映转动圈数。 判断其正转还是反转，须采用两路正交信号信号。如正转时，A的相位超前于B的相位90，那么反转时，B的相位超前于A的相位90。据此对A相信号计数时，判断B相信号处于高电平还是低电平即
4、可判断编码盘处于正转状态还是反转状态。Encoder 有光学式、磁式、感应式和电容式。 Encoder 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式3种。,Motion Control Sensors,输出倍频（四倍频的算法） 数学上fA(t)和fB(t)可描述成（1（t)是阶跃函数）： fA(t) =1kt- k(T/2)-1(kt- kT) fB(t) =1kt- k(T/2)- k(/2)-1kt- kT- k(/2) 用数字延迟电路使fA(t)和fB(t)产生时刻延迟: fA(t-) =1kt-k(T/2)-k-1(kt- kT- k) fB(t-) =1kt- k(T
5、/2)- k(/2)- k-1kt- kT- k(/2)- k所以：fA(t)-fA(t-) =(kt - k)-(kt- kT - k)fB(t)-fB(t-) =kt- k(T/2)- k(/2) - k-kt- kT- k(/2) - k (A-)(B-)(A+)(B+),Motion Control Sensors,Gyroscope 角动量守恒：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。Gyroscope基于此原理来传感/维持方向。 Gyroscope由位于轴心可旋转的轮子构成。 陀轮一旦开始旋转，由于陀轮的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。读取轴所指示的方向（
6、检测扭矩），即可获得角加速度。 Gyroscope多用于飞机导航、定位等系统，在移动机器人中普遍使用。,积分算法的累积误差,Motion Control,Filtering of MEMS Gyroscope:Kalman滤波是“optimal recursive data processing algorithm（最优化自回归数据处理算法）”。可尽可能减少系统噪声影响，从含有噪声的测量值中得到系统状态的最优估计, 用在机器人导航和控制用来预估位姿。,Motion Control,可得到系统的状态方程和测量方程。,Motion Control,Motion Control,Obstacle-a
7、voiding: 输出25KHZ的方波信号，经放大后和线圈升压，探头发射。当超声波遇到障碍物反射后，接受头接收回波，经电容，电阻滤波后由两个反向并联的稳压管稳压，再经四级放大后送回单片机供单片机处理。 单片机记录收发的时间T计算出当前机器人距障碍物距离S=V*T/2。,Motion Control：case,从动轮与Encoder的配合（14:35）：,Motion Control：case2,另一个Encoder / Gyroscope应用的移动机器人例子(2009),MEMS Gyroscope:ADIS16365通过SPI协议与外部控制器实现数据和指令通信， ADIS16365拥有31个
8、控制和数据寄存器。集成3个惯性传感器和3个角速度传感器，带自校准功能。 角度分辨率：0.0125/s/LSB (80/s)典型带宽 0.33KHz动态线性加速度补偿因子：0.05/sec/g运动偏移稳定性：0.009/sec,Motion Control：case,对震动敏感，故尽量选用柔性安装，或减震设计。,Motion Control: Motor,关于驱动： 直流伺服系统 + 减速机, 适用于移动机器人 交流伺服系统 + 减速机，需要逆变 步进电机 + 减速机，价格便宜，性能较差。 关于减速机，用于提升电机输出扭矩： * 行星减速机* RV减速机：机器人关节最好的减速机* 蜗轮蜗杆减速机
9、,Motion Control,需要良好的机械传动系统 保证运动的易控性：,场地滚动摩擦条件，机器人的速度加速度参数要求,电机 Rated speed, OUTPUT Torque,Gear Box Rate, Input/OUTPUT Torque,加/减速测试，最大速度测试，可控性测试，轮子的调校,传动刚度校验,Motion Control,The first challenge of mobile robots is locomotion. Robots can move unsupervised through real world environments to fulfill it
10、s task. How should a mobile robot move? And what is it about a particular locomotion mechanism that make it superior to alternative ones when moving on the specific ground?,Motion Control,Wheeled mobile robots: By far the most popular locomotion mechanism in man-made vehicles in general. It can achi
11、eve very good efficiencies when moving on the structural ground. With a relatively simple mechanical implementation, and balance is usually not a research problem.,Motion Control,Wheeled mobile robots: Three wheels are sufficient to guarantee stable balance, two wheels robots can also be stable. Whe
12、n more than three wheels are used, a suspension system is required to allow all wheels to maintain ground contact when the robot encounters uneven terrain.,Motion Control,Steered Wheel:A. Free steered wheel，two traction wheels, differential；B. steered traction wheel；,Locomotion of the Robot,Three-Wh
13、eeled mobile robots:,Locomotion of the Robot,Four-Wheeled mobile robots:,Motion Control,2-Legs robots: SONY dream robot，Honda Asimo，MIT Spring Flamingo Complex mechanism & freedoms Joints used herein Dynamic balance control is hard,Motion Control,Stepped Climbing type: University of Karsruhe, German
14、y: six legs，MIT: genghis Motion control can be used integrated algorithm, but error of legs structure will enlarges error of position.,Motion Control,Legs robots: Numbers of legs: Insects and spiders are immediately able to walk when born. Humans,with 2 legs,can not stand in one palce with static st
15、ability.Infants requies months to study stand and walk. Stable balance.,Motion Control,Tracked locomotion robots: Robot can make use of tread have much larger ground contact patches,the maneuverability can be improved significantly in loose terrain compared to conventional wheeled designs. Due to la
16、rge ground contact patch, changing the orientation of the robots requies a skidding turn, wherein a large portion of the track must slide against the terrain. The exact center of the rotation of the robot is hard to predict and the exact change in position and in orientation is also subject to variations depending on the ground friction.,Motion Control,Tracked locomotion robots: The microrover Nanokhod: developed for European Space Agency Designed in 2007,
