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PAL Robotics借(jiè)助磁編(biān)碼器技術實現機器人運動平衡
2019-6-6 來源:雷尼紹 作者:
此案例介紹了PAL Robotics研發的REEM-C全尺寸雙足(zú)人型機(jī)器人 — 一款可在眾多(duō)應用領域一展(zhǎn)身手的通用型機器人。REEM-C可為包括航海、機器視覺、人-機(jī)器(qì)人交互、人工智能、抓握、行走和語音識別等的一係列應用提供全定製化基礎的(de)研發平台。
PAL Robotics的(de)全尺寸雙足人型機器人REEM-C
背(bèi)景
想象一下(xià):機器人夥伴輔助每個人完成工作,在機場幫助旅客搬運行李(lǐ),甚至為老年人提供全方位的生活照料。這(zhè)便是位於西班(bān)牙巴塞羅那(nà)的PAL Robotics SL公司希望創造的未(wèi)來生活。這(zhè)家創新型公司(sī)坐(zuò)落在巴塞羅那老城區的核心位置,距離世界聞名(míng)的蘭布拉(lā)大道步行(háng)街僅數步之遙。
PAL Robotics是機器人行業的領先者,在他們繁忙(máng)熙攘的辦公區內,機器人的設計、編程和組裝工(gōng)作正在(zài)有條不紊地(dì)進行,工程師三三兩兩聚在一起,討論(lùn)著如何不斷改進機器人的功能。
挑戰
PAL Robotics首席技術官Luca Marchionni指(zhǐ)出,最大的(de)挑戰之一是保(bǎo)持機器人行走時的平衡,而這一(yī)點對於人類而言似乎是理所當然的事情。
PAL Robotics公司首席技術官Luca Marchionno
機器人的行(háng)走涉及雙足與周圍環境的接觸,以及(jí)多種(zhǒng)自由度下身體各個(gè)部分的並發配合運動。雙足機器(qì)人的控(kòng)製(zhì)係統必須處理兩(liǎng)個(gè)階段之間的轉換,即雙足支撐(雙足同時著地),及單足支撐(單足著地(dì))。
由於機器人運動力(lì)學的非線性特點,因此很難通過單純的程序法則來實現行走控製,而且通常也無法(fǎ)通過(guò)實時狀態分析方法實現控製,因為其中的試錯過程過於複雜。相反(fǎn),業內普(pǔ)遍采用一(yī)種稱為(wéi)“軌跡優化”的數值方法,即預先規定機器人的“理想(xiǎng)行走路徑”,然後使用此數值方法計算最為接近此路徑(jìng)的最佳近似值;其中所謂“最佳”的標準則通過一個特定的代價函數來確定(dìng),此函數可兼顧機器人的理想行走路徑和物理限製這兩個條件。
人型機器(qì)人的關節設計有著(zhe)嚴格的空間和重量限製,目的是(shì)盡可能(néng)減小機器人的體積和慣性。PAL Robotics製造的大部分機器人都與真人大小類似,並擁有多(duō)達40種的運動自由度。
解(jiě)決方案
PAL Robotics製造的REEM-C和其(qí)他人型機(jī)器人均具有完(wán)全鉸(jiǎo)接式關節,能夠根據任務要求完成一係列複雜的運(yùn)動。要對(duì)各關節的扭矩、速(sù)度和位置(zhì)進(jìn)行伺服控製(zhì),需要用到高質量的編碼器反饋數(shù)據(jù)。
安裝有AksIM™絕對式磁旋轉編碼器係統的REEM-C膝部關節
在對PAL Robotics的各(gè)種業務需求和產品做了深入了解之後,雷尼紹提供了編碼器選型建議。PAL Robotics最終選(xuǎn)用了由雷尼紹的關聯公司RLS生產的非接觸式(shì)磁編(biān)碼器,包括(kuò)集成(chéng)到膝部、腕部和肘部的AksIM™和Orbis™旋轉編碼器,以及元件級增量式RoLin™編碼器。
為實現平衡控製,機器人的每隻足底均裝(zhuāng)有一套反饋力測量係統,該係統可計算出零力(lì)矩點 (ZMP) — 用於評估REEM-C人型機(jī)器人穩定性的指標。測得的ZMP隨後(hòu)被(bèi)傳輸到“模(mó)糊(hú)邏輯”PD控製器,用以追蹤所(suǒ)需的ZMP,從而實現運動平衡並防止傾翻。PD控製器的目標是調整機(jī)器人的質心 (CoM) 位置,以便將ZMP保持在支撐區域內(即足底與地麵的接觸麵內)。要成功實現雙足動態行走,需要精確控製機器人腿(tuǐ)部關節的角度(包括位(wèi)置、速(sù)度和加速度等運動參(cān)數),這(zhè)一(yī)切都離不開旋(xuán)轉編碼器的精確反饋。
REEM-C在邁(mài)步時實現單腿平衡
結果
平衡控製對於(yú)確保雙足(zú)機器人穩定運(yùn)動而言至關重要(yào),借助編碼器輸出的數據,機器人的“大腦”可計(jì)算出當前的身體(tǐ)姿態,並(bìng)不斷向每個關(guān)節發出新指令(包括位置(zhì)、速度和加(jiā)速度等),用以保持運動平衡。
RLS磁編碼器為PAL Robotics提供了靈活的位置反饋解決方案,能夠滿足在空間和性能方麵的嚴苛要求。精心(xīn)選擇的RLS編碼器功能強大,可令設計師盡情發揮創意與(yǔ)才能。通過調節作用(yòng)於每個關節上的瞬(shùn)時扭矩來確保機器人的四肢始終處於正確位置,以此實現平衡控製和穩定行走。高精度編碼器(qì)可確保最大(dà)限度(dù)地減少控製信號誤差,控(kòng)製器因此能夠快速調節機器人的身體位置,從而使ZMP始終保持在機器人的足部支撐(chēng)區域內。
肘部關節和腕部關節安裝有AksIM和Orbis磁旋轉編碼器的REEM-C
關於PAL Robotics
PAL Robotics設計和製造可應用於多種場合的高級人型(xíng)機器人和(hé)服務機器人。該公司於2004年(nián)由6名富有夢想的工(gōng)程師創建。PAL Robotics製造的第一款機器人(rén)名為REEM-A,其誕生契機源自一個使用機器人手臂下國際象棋的項目。從那以後,PAL Robotics便開始定期發布新機(jī)器人產品(pǐn),目前已推出6款(kuǎn)不同型號的機器人,包括家用和工業用輔助型機器人TIAGO。另外一款機器人TALOS則用於在生產線上完成指定工作,例如擰緊人工難以觸及的螺(luó)釘,以及協(xié)助搬運重型(xíng)工件等。
有關PAL Robotics的更多信息,請訪問www.pal-robotics.com
關於RLS
RLS d.o.o是雷尼紹的關(guān)聯公司。RLS生產一係列堅固耐用的旋轉和直(zhí)線運動磁傳感器,產品(pǐn)廣泛應用於工業自動化、金屬切削、紡織、包裝、電子芯片/電路板、機器人(rén)等行業及領域(yù)。
有關RLS的更多信息,請訪問www.rls.si
詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoders
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