请教关于机器人运动控制的问题 点击:0 | 回复:18



newsony

    
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发表于:2007-06-01 23:24:00
楼主
各位老师,我想请教一个关于机器人运动控制的问题。

我们现在想设计一种外骨骼机械腿,他能带动人的腿在跑步机上运动(比如走路)。双腿共4个转动自由度(每个腿在髋关节和膝关节处各一个转动自由度)。每个转动关节的驱动是使用伺服电机。国外的产品是使用Maxon的直流伺服电机,但我们觉得太贵,想选用交流伺服电机。经过多个厂家的比较,我们初步想选 安川 的100W的交流伺服电机。

电机通过滚珠丝杠,变转动为直线往复运动,推动大腿或小腿分别绕髋和膝关节运动。

运动的轨迹就是人走路的轨迹就可以了。该轨迹通过对真人走路时进行测量,获得4个关节的运动轨迹。然后用该实测的4组(一个关节一组)轨迹曲线来分别控制4个交流伺服电机运转,从而实现外骨骼机械腿的人走路步态运动。将这种机械腿穿戴在人的下肢上,就实现了机器腿带动人腿的运动。

我们准备在每个关节处安装一个光电编码器,反馈个关节的实际转动角度(位置)。因为我认为虽然交流伺服电机轴上都装有光电编码器,但这仅仅实现的半闭环控制。如果电机轴之后的机械传动部分产生了传递或转动误差就无法检测到,从而不能保证最终执行端(转动关节)的转动精度。

现在我的问题是:

1、我们使用交流伺服电机能否实现我想像中的这种运动,与使用直流伺服相比,哪个更何时?(我们对价格敏感,)

2、对于这样的固定轨迹周期性循环运转控制(人的走路是周期循环的,只要实现对一个迈步周期的控制,以后只要做同样的重复循环就可以了),我们需要使用一块4轴的运动控制卡来实现对4个电机的协调运动控制吗?

   我个人认为,我们不需要特许曲线效果的运动,也许可以不要运动控制卡(国外的类似产品就没有用运动控制卡,而直接控制伺服电机的驱动器)。只需要在一个迈步周期内,严格按照时间关系,让个关节转动到对应的位置就可以了,是完全的关节转角的位置控制(通过机械传动机构反推到电机轴上,就是对电机轴的一个周期内的各个转动位置的控制)。所以我只要把测得的4个关节角对应时间的曲线图进行离散化(比如每秒离散为100等分),然后做成表格,然后用定时器定时,没隔0.01秒,我就同时给电机的驱动器发一个位置信息,让他转动到相应的位置。

不知道我用一个多功能数据采集卡来直接连接伺服电机驱动器,通过查表后,直接将各电机的转角位置通过数据采集卡发送给电机驱动器,实现对电机轴位置的控制的方法,是否可行?

3、如果用运动控制卡实现我需要的4个关节的位置控制,请问:是用模拟电压控制方式呢?还是使用数字脉冲控制方式呢?

从我从本论坛看的信息,我觉得模拟电压控制方式是一种速度控制方式,而我并不是要实时控制电机的转速,而是要控制电机轴实时的位置。所以我认为可能需要用数字脉冲控制方式。但从论坛上看到:
“这是因为伺服驱动器工作在位置方式下,位置环在伺服驱动器内部。这样系统的PID参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看,这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号,事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制,整个系统存在两个位置环,控制器很难设计。”
所以请各位老师帮我分析一下我到底用那种方式更合适。


4、关于控制软件的问题。现在我们考虑有了种控制方式:一是LabVIEW。用他直接控制一块多功能数据采集卡(或运动控制卡),用该卡控制伺服电机驱动器。

二是用matlbat。  用matlab 的simulink里的RTW工具箱,使用xPC target方式实现。这种方式使用主、副两台计算机,运动控制卡或者数据采集开在副计算机上(上面没有windows操作系统,运动xPC target的实时系统),这样实现实时控制。

不知这两种方法那个更可行一点??

先谢谢各位老师了。本人对运动控制不太了解,希望各位老师给与指导。



刘岩利

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发表于:2007-06-02 09:07:00
1楼
1、既然对价格敏感,那么,用直流电机加电流放大器最合适。

2、需要

3、先根据“价格敏感”选定电机吧,然后再讨论控制方式

4、看你选什么控制卡了,好一点的控制卡,可以使用卡上的处理器、存储器来工作,不需要PC的实时性。

波恩

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发表于:2007-06-02 13:03:00
2楼
从功能看,估计该产品的目标应用领域应该是某种康复装置,用于辅助行走目的,因而也属于医疗装备范畴。Maxon的直流伺服电机大量使用在医疗设备上,价格是高,但是医疗装备对驱动的安全性要求往往远高于工业装备,如果楼主是打算做产品,可能还要考虑相关的行业安全标准和资质等问题,不是(随便)选一款东西就能用的。
    另外,由于这种“外骨骼机械腿”是通过“电机”带动“滚珠丝杠,变转动为直线往复运动,推动大腿或小腿分别绕髋和膝关节运动。”因而,“人走路的轨迹”与“运动的轨迹”之间还会存在某种变换关系,绝不是简单的复制。而且,方案中还要用编码器实时检测各关节的实际位置,是否还要据此对运动轨迹进行实时调整?总之,各个电机之间也难免不会因为必要的运动合成关系而存在协调运动关系和同步要求。
    对于楼主所提问题,
1.本人观点已经在前面表述过了,除非只是追求功能性实现和研究。
2.本人前面也有所分析,为保证运动合成的协调性和同步性,运控卡是应该采用的,国外也许是使用了专用控制器,其功能未必不比通用运控卡强。
3.取决于系统设计要求和总体控制方式。
4.从楼主的思路看,是脱不了上位PC了,这么看来目前的目标只是为了功能验证和研究。Labview的设备驱动能力较强,matlab的RTW设备驱动能力有限(过去很难驱动厂家列表以外的版块,尤其是PCI接口板卡,不知目前有无改观),而且其上下位PC结构实现成本和结构复杂性也是问题。建议参考刘斑竹的提议。

newsony

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发表于:2007-06-02 15:42:00
3楼
非常感谢以上两位老师的指导。

两位老师真是厉害,全都说道了点子上。我一些没有表述清除的问题,你们也都猜到了。

1、没错,我们是想做一种康复装置,但不是做产品,而是做科研,仅仅做样机。因此在科研经费有限的情况下,很多东西尽量选成本低的。再者,我们对运动控制不了解,所以想先用低成本、简单易控制的东西来实现我们的目的,等样机做好,并达到功能要求以后,再考虑使用更好的,更安全的,控制效果更好的设备。所以在目前的阶段,我们的目标正如“波恩”老师所说的,“只是追求功能性实现和研究”。

2、国外的同类型产品确实是用的maxon直流电机+电流放大器的方法实现的,这个被刘老师一下就说中了。他们用的是以色列的Elmo 公司的 Violin VIO-15/55,可惜我们对此不了解,只知道对伺服电机的位置控制只能由运动控制卡实现,不知道如何用电流放大器实现我前述的位置控制。这里还请刘老师多多指导。

3、关于“价格敏感”的问题,我的意思是,如果用maxon的电机+加速器+编码器+驱动器,一套就1万以上,4套就5万以上。我们是在做实验,一旦用起来不合适,就可能浪费了。所以现在想先用安川的交流伺服电机来做,等以后功能实现了,再考虑换更安全的,满足医疗设备要求的电机。安川的交流伺服电机+驱动器才不到4000元,而且3500转对我们刚好,不需要减速器,内置了编码器,也不用另配电机轴上安装的编码器了。

4、因为我们是搞科研,而且现在是在选型设计期,对很多关键的技术、运动控制设备和控制方法、控制软件都不太了解。所以才特地请教这里的老师。之所以这么谨慎也是怕由于自己不了解,买回来的电机和运动控制设备不适合我们的用途,连第一步的功能实现都无法做到,最终反而浪费了经费。因此如果便宜的方法和设备无法实现我们的要求,那我们也会选择价格高的设备和方法。

5、说到LabVIEW,是因为我们有一台NI的PXI,里面有控制器和数据采集卡,可惜没有运动控制卡(该设备是以前买了,所以没有考虑到这次的用途)。如果再买NI的运动控制卡成本可能会很高。也许我们买研华的一块多功能数据采集卡、一块PCI-1240四轴运动控制卡、一台普通的电脑(这个已有)的总价钱还没有一块NI的运动控制卡贵。所以我才会问,能否不用运动控制卡,如果可以不用,那我就用这台NI的PXI来做实验。如果必须用一块四轴运动控制卡,那我就考虑放弃已有的NI的PXI,再去买研华的一块多功能数据采集卡、一块PCI-1240四轴运动控制卡、一台普通的电脑(这个已有),重新搭建实验平台。

6、之所以考虑matlab,是因为:看国外的设计,是用matlab的simulink做控制框图,用RTW把框图转换成C代码,在用VC++把转换的c代码编译成可执行文件,然后下载到目标计算机,在xPC target kernel 的实时平台上运行。我不知道各厂家现在买运动控制卡时,是否会帮用户制作支持matlat 或LabVIEW的驱动程序。如果有那就太好了。我看研华的产品选型手册的图片上画有:选择相应的编程软件:dll驱动程序、LabVIEW的驱动程序、matlab、ActiveDAQ。但他并没有用文字明确说他提供matla、bLabVIEW的驱动程序。

7、我们就是想先测得正常人在跑步机上的走路时,4个关节的转动轨迹曲线,然后用这个曲线,去控制4个伺服电机运动,让机械腿去复制正常人的走路轨迹(步态轨迹)。在关节上安装编码器实时检测各关节的实际位置,是怕如果控制出了问题,电机运转过头,对人体产生伤害,同时也是再次检验“我让这个关节转到指定位置,它到底转到没有”从而保证双腿(两个大腿,两个小腿)能像人一样协调、同步运动。

8、关于如何保证双腿(两个大腿,两个小腿)能像人一样协调、同步运动,我现在的想法是,在某一时刻,发一组(4个)位置指令,让4个电机分别转到位,然后检测4个编码器,看个关节是否真的转到了位,如果都转到了为,就发下一组(4个)位置指令。如果其中某个关节没有转到位,那就继续等待其到位,或者再次发送本组位置指令。在正常情况下,两组位置指令之间等时间间隔。假如正常人每个迈步的循环周期是1秒,我将这个迈步周期按时间来等分1000份,也就是每1ms发一个指令,则一秒中内我发1000个位置指令,控制4个电机分别转动到1000个位置。从而实现了人的一次迈步。重复发送这样一个周期的位置指令,就实现了机械腿的连续正常步行运动。
对于同样的位置指令,我只要将指令发送间隔缩小一半(0.5ms发送一个指令),就实现了步行速度的加倍。同理,我将指令发送间隔放大一倍(2ms发送一个指令),就实现了步行速度的减半。如果我按比例缩放这个时间周期,那就实现了对机器人的任意走路速度的控制。(这个方案是我自己想的,请各位老师做一下评判和指导)

希望运动控制论坛的老师多多指导,给我些宝贵意见 ,谢谢了。
我的信箱是newsony@tom.com



波恩

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发表于:2007-06-02 19:28:00
4楼
1.果然是康复样机。
2.作为康复装置使用的驱动,估计maxon的直流机和Elmo的驱动估计都是安全电压之内的低压产品,Elmo的驱动仅仅是电流放大器吗?如果是,则其位置控制应该是在上位(专用)控制器中实现的。
3.国外产品中采用减速器(加速器估计为笔误)目的在于力矩放大,在楼主的选型中如果想省去减速器,则应当考虑所选电机的力矩是否能满足需要,不能只看功率。另外,拟选用的伺服驱动是低压的还是工频电压的,实验安全一定要注意。
4.这样的课题估计做几个博士都不夸张,运动控制设备及其控制方法只是外围保障和皮毛,关键技术还在于步态建模和物理仿真,个人以为不是太简单的事情,建议在运动控制平台问题上不要过于吝啬,重头戏还在后面呢。
5.既然有现成的PXI装备,应该继续发挥其效用和人的经验,运动控制卡未必一定要买NI的,目前研华,凌华等公司都有针对PXI的板卡,还可以提供LabView驱动。就楼主所描述的现状,运动控制卡应该是必用的,躲不掉。
6.Matlab+Simulink+RTW看似算法框图到C代码来得方便,但是目标计算机用什么?运控问题如何解决,板卡是否驱得起来?无论是LabView还是Matlab驱动,买卡时一定要问清了,最好看到演示。
7.上回就已提过,在楼主所提方案中,电机和滚珠丝杠执行的是直线运动,该直线运动与相关连杆结构合成的运动,才是“4个关节的转动轨迹”,所以需要从“测得正常人在跑步机上的走路时,4个关节的转动轨迹曲线”逆向求解,得出4个伺服电机的运动曲线,然后才能用这个新的曲线“去控制4个伺服电机运动,让机械腿去复制正常人的走路轨迹(步态轨迹)”。
   鉴于关节编码器对安全和实际步态反馈的作用,因而是必要的,另外为安全起见,建议在极限位置处,加装单独的安全防护开关,以充分保证人员安全,人员安全才是头等重要的事情。
8.前面说过了,步态建模和物理仿真不是太简单的事情,楼主的这些初步思路看似可行,但恐怕还远远不够。目前的方案只模拟到髋关节和膝关节两个自由度,如果实用化,还有必要模拟踝关节,甚至脚掌自由度,甚至还要考虑重心偏移和平衡问题,总之相关的协调因素还很多,慢慢做吧。
   至于以按比例缩放刷新周期来调节行走速度的方法,是一个思路,但不容易实现速度的无级连续调整。个人以为通过定周期规划轨迹,即在建模数据列表的基础上进行插补,可以更好地解决速度的连续调整问题。

    以上是本人根据楼主问题反馈的拙见。另外,数年前,北京理工大学、清华大学,哈工大等,都在863的支持下,做过直立行走拟人机器人的项目,其中就设计大量的步态模拟问题,查查他们的文章或论文,也许有助于楼主的思路。更有甚者,几年前日本丰田的直立行走拟人机器人不仅具备了常人的行走,上下楼梯能力,而且还推靠感知和抵御性调姿能力,这些也许都或多或少有些借鉴意义。

刘岩利

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发表于:2007-06-03 09:14:00
5楼
作为样机,考虑到成本的话,可能还是国产直流电机+编码器+放大器,或者,步进电机,比较便宜,而且,都可以考虑使用36V以下的电压驱动。不过这来年各个东西要求转的3500rpm,可能比较难,我比较粗略的找过,没有找到(也许,明天这里就有一堆卖电机的人回贴,这样我也不用找了)。真的对成本敏感,直流电机要用放大器(而不是驱动器)带动,控制卡应该要比较贵了。如果选步进电机,要实现闭环控制,要么需要比较贵的驱动器,要么要比较贵的控制器。

对人体了解不多,不过,人的关节大都不只一个自由度,用一个电机模拟髋关节的工作,平衡会不会是个问题?


波恩

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发表于:2007-06-03 11:15:00
6楼
“人的关节大都不只一个自由度,用一个电机模拟髋关节的工作,平衡会不会是个问题”---简单直线行走,髋关节可以只有一个自由度,要拐弯,就得两个自由度了。至于平衡问题,就又是在简单步态模拟之上的更高级的姿态模拟和控制问题了。

刘岩利

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发表于:2007-06-03 11:41:00
7楼
"简单直线行走,髋关节可以只有一个自由度"
建议,波恩走慢一点试试。我没有做过两足机器人这么复杂的东西,不过,我确实练习过基本的步法,即使走直线的时候,重心轮流放在两条腿上,髋是要左右摆动的。当然,幅度可大可小,不过完全不动,会摔倒的。在摆髋的时候,大腿也要有配合的动作,否则不能保证重心在支撑腿上。

波恩

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发表于:2007-06-03 12:10:00
8楼
说得有道理,体会起来也确实如此。
当初做课程设计,做四足行走机构时,配合步态的重心调整是通过另一套与步态同步的偏心机构来实现。诚然,正如刘斑竹所言,“两足机器人”是一个过于“复杂的东西”,重心姿态和步态的协调关系也不会太简单,显然已经超出本人经验和基础所能企及的高度,还是留待楼主考虑吧。

newsony

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发表于:2007-06-03 23:23:00
9楼
真高兴又能看到两位老师的指导。

没想到“波恩”对我们做的东西如此了解,你提到的第7条我都没怎么考虑,看了你的指导,我才发现,这原来真是一个大问题。

1、 我们做的这个“带驱动力的外骨骼机械腿”目标却是一个康复医疗器械,我们开始也是考虑上面安装的所有设备的供电电压都要不超过36V人体安全电压,但进口的空心杯直流电机太贵(我们就找到了maxon和faulhaber),国产的有北京奕山,可以它只有最大60W的空心杯直流电机(真的好希望国产的直流伺服电机做的更好)。我们需要的是150W的,这个功率下,国外的那两家都能做到直径40mm,重量450克左右。加上价格太贵(前面的帖子具体说过),我们是在做实验样机,所以在考察了交流伺服电机后,才考虑安川的交流伺服。可惜交流的都没有150W,只能选100W,如果选200W的直径和长度都太大。毕竟4个电机都是安装在机械腿上的,而机械腿是要穿戴在人下肢上的,如果太大,太笨重,就不合适了。所以不知道刘岩利所说的“国产直流电机+编码器+放大器”能否做到小巧和轻。
之所以选择空心杯电机,也是因为同功率下重量轻,控制性能好。我们这里有好几个国产的普通铁心的直流电机,功率才80W—100W,直径却有100mm,重量有3-4公斤,所以无法满足需要。
至于电机转速的选择,我看到的交流伺服电机都是空载转速3000转(上次误写成3500转了),通过皮带轮和滚珠丝杠的减速,刚好能达到我们的需要。如果用直流电机,则需要减速器把电机8000-10000转的转速降下来。这样看来,我们用交流伺服电机反而省了减速机和编码器(交流伺服电机内都带有),满足我们关于体积小,重量轻,价格低的要求。
至于交流伺服电压高(220V市电),虽然不安全,但是我们做实验无所谓,反而因为可以直接接市电,我们到觉得方便。省了交流变低压直流的电压模块(也许这个模块还是有的,只不过厂家在交流伺服电机的驱动器内已经做了?这个我就不知道了)。从安川的说明材料上我看到该电机在0-3000转内,可以保证恒定的转矩,3000-5000转之间转矩才会下降,这个我觉得也是一个优点。

2、 关于机器人机械腿的4个自由度和6个自由度(加两个踝关节)的问题。
人的下肢每个关节都不止一个自由度,在走路时,也绝对不是只用一个自由度。但我们的目的是让人在跑步机上原地不动的走路(跑步机向后走,所以人相对地面来说就是原地不动),且速度对快不超过3km每小时。也就是说绝对不会有转弯、后退、蹦跳、上下坡的动作,因此,这种最简单,最标准的步行,就可以认为是(或者说简化为是)髋关节、膝关节和踝关节,3个关节在矢平面(人走路时前进的那个平面,腿就只在这个面内运动)内的转动运动。医生告诉我们,在跑步机上走路时,踝关节的作用不是很重要,可以不对它做主动驱动,在腿的摆动期让大、小腿的运动带动它最被动的运动,而在站立期,烤跑步机带动它向后运动。

3、 关于平衡的问题。
两位老师讨论的平衡问题,只要是考虑的“双足机器人”行走时的问题。我们做的东西看似双足机器人,也是两条腿,也是主动驱动的走路,但是还是很大的不同的。
上面说了,这里的走路是在跑步机上“原地不动的走路(跑步机向后走,所以人相对地面来说就是原地不动),且速度对快不超过3km每小时。不会有转弯、后退、蹦跳、上下坡的动作”,而且,更重要的是,人双手是可以扶着两个双杠式的护栏的,且其背部也是被固定的,我们甚至考虑了要用减重装置把人吊起来部分减重。因此,人在走路时,基本上不存在、不考虑平衡问题,他是被我们在前后左右4个方向上给固定住了。请两位老师想像一下,如果你双手撑住双杠,把自己的身体支撑起来,离开地面,然后你开始让自己的双腿在空中漫步(做走路的动作)。这个时候你是不用考虑平衡问题的。当然我这个想像的模型和我们实际的在跑步机上走路还是有一些区别的。
人的重心在走路时还是会上下运动的,因为我们保留了人走路时上下运动的可能,做了一个机构能机械腿随人一起上、下运动。
所以我们基本没有考虑双足机器人要考虑的重心平衡、姿态问题。
以上都是我的个人分析,没有做个实验验证,如有不对之处,还请各位指正。

4、 关于“研华,凌华等公司都有针对PXI的板卡”
如果我们最终决定用PXI+数据采集卡+运动控制卡,那买个“研华,凌华等公司都有针对PXI的运动控制卡”确实很好。但是如果我们以后用matlab xPC target 的控制方式,那么两个卡是要安装在运行xPC target kernel实时系统的目标计算机上的,难道我们把装有两个卡的PXI当目标计算机用?而且matlab的xPC target kernel是否支持现有的NI的PXI和两个卡还是一个问题。

5、 Matlab+Simulink+RTW算法框图到C代码来得方便,目标计算机就是一台普通的pc机(看一些文章上,很老的奔腾MMX166就可以了),上面安装“数据采集卡+运动控制卡”,且两个卡必须是mablab公司网上公布的支持范围内的产品型号。主计算机也是一台PC,性能好一点,上面运行matlab,VC++,两个机器之间用串口或标准网线连接。

6、如何将测得的个关节转角位置数据转换为电机转动位置数据的问题。
   “波恩”老师对这个问题的提出,实在是对我启发太大了。我忽略了对这个问题的考虑。毕竟电机不是直接带动关节转动,也不是完全通过齿轮和带轮的定比例传动,而是有杠杆机构,且杠杆推动点的力臂是时变的,那么这里速度的转换将是很复杂的,两个速度之间的转换关系将与当前转角位置有关,我目前还不知道,也没仔细考虑过这个关系。这要看我们同事设计的机械机构部分。但我想,如果等机械部分完全做好了,我人穿戴好机械腿在跑步机上走路,反侧关节转动数据时,除了测量我上次说的4组数据(4个关节的转动轨迹曲线),还在电机转轴上安装编码器,再同时检测电机转轴被反向带动下的转动轨迹,那么我以后就用这4组电机转轴的轨迹曲线,来控制4个对应电机运转,从而实现让机械腿去复制正常人的走路轨迹(步态轨迹)。不知这个做实验测数据的方法如何?

不过我估计这样的实验可能很难做。因为,这就意味着我们要再去买4个编码器,安装在电机轴上,不知道交流伺服电机的尾部是否也像直流电机那样,也有伸出的转轴去安装编码器。滚珠丝杠本身不转动,只是往复运动(我们反用它了),所以它上面是无法安装编码器的。

7、“至于以按比例缩放刷新周期来调节行走速度的方法,是一个思路,但不容易实现速度的无级连续调整。个人以为通过定周期规划轨迹,即在建模数据列表的基础上进行插补,可以更好地解决速度的连续调整问题。”
“波恩”老师提出的方案“定周期规划轨迹,即在建模数据列表的基础上进行插补”,我不太理解,不知你能否详细说明一下。
我想的方案的核心意思就是:把一个步态周期细分成一个固定不变数量的运动过程轨迹点,比如1001个点,也就是1000个间隔。我只要测得某个步行速度对应的时间间隔是多少,那么我就可以线性的缩放这个间隔,从而得到任意一个步行速度。
其实我们只需要0.8—3.0之间的步行速度,且暂时不需要无极变速,能做到没0.2km/h一个速度递增/减,我看就足够了。毕竟市面上卖的跑步机也不是无极变速的,最低的变速档位是0.1km/h。

8、说到跑步机,我也想请教一下各位老师。以后我们的机械腿带着人是在跑步机上行走的。那么我们就要对跑步机的速度进行同步、协调的控制,使其与机械腿的走路速度同步。所以我还要了解市面上卖的跑步机内部的用的什么电机,是怎么控制调速的,能否改造一下,让我们方便的控制速度。跑步机还没买,所以还一无所知。我去看过,卖的人说,贵的跑步机(6万)是交流伺服电机,电机马力4HP(匹)。
  
9、国外的类似产品用“maxon的直流机和Elmo的驱动”问题
  我看到的国外的资料上说,maxon直流机与目标计算机之间只连接了一个“电流控制器(current controller)”,(以色列的Elmo公司的Violin VIO-15/55),图上还能看出,目标计算机给“电流控制器(current controller)”的输出是模拟信号输出(AO)。但英文文字里表达的意思还有说,这个“电流控制器(current controller)”经过PWM脉宽调制,对电机输出电压信号。这里我就弄不懂了,怎么电流控制器最后对电机输出电压?

恳请各位老师继续给与指导意见。

北极

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发表于:2007-06-04 00:16:00
10楼
我也不是很懂,但现在也在做电机控制,我看了以上的帖,很佩服各位老师,我在这冒昧的回答"“电流控制器(current controller)”经过PWM脉宽调制,对电机输出电压信号。这里我就弄不懂了,怎么电流控制器最后对电机输出电压?",估计是指PWM脉宽调制后输给电机的平均电压值

波恩

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发表于:2007-06-04 12:33:00
11楼
1.国内电机技术落后于国外,是不争的事实,因而就电机的出力体积比而言,差距大也就不奇怪了。空心杯电机的本质优势在于相同出力下转动惯量更小,因而动态性能好,功率重量比只是结果,当然对于楼主的项目,这一结果恰好派上用场。
    “进口的空心杯直流电机太贵”的原因一是在于进口,尤其是maxon这样的瑞士企业的产品,不贵倒是奇怪了;其二在于用量相对较小,这可能也是国内做这个的企业少的原因。
    “通过皮带轮和滚珠丝杠的减速”,结构这么复杂,为什么不直连丝杠?也好简化结构,降低重量啊!
    市电供电的交流伺服,内部就是直接整流为对应的高压直流使用的。
    如果真想追求出力/体积比,以满足“体积小,重量轻”的要求,不建议使用安川的电机,建议楼主看看SEM,Baldor,Parker,Danaher等公司的10对极新型永磁交流伺服电机,据称相比于安川的电机(不清楚安川目前是否也有),同等外形尺寸下,出力可以提高20~30%左右。

2.“人的下肢每个关节都不止一个自由度”应该是吧!要是都模拟到了,也该累死或穷死了!呵呵!适用为主,以达成项目目标为主。

3.基本同意楼主关于平衡问题的分析,在本人前期的观点中也赞成将步态和姿态问题分开考虑的,毕竟只是做与腿相关的康复医疗装置,而不是助力行走装置,或两足直立行走机器人,过分考虑姿态问题只会将问题复杂化,还是应以达成项目目标为主。

4./5.前面本人已经谈过对于“matlab的xPC target kernel”的看法,如果目前不能很好地解决其“目标计算机”上的板卡驱动问题,则不适于选用PCI接口的板卡,而ISA板卡现在是太少了。建议咨询matlab北京公司(刚成立不久)或恒润科技(大陆正式代理)。

6.由于关节轨迹与电机轨迹之间存在运动合成关系,原则上应该逆向求解,这在机器人运动学规划和解算中是很常见的思路。如果人带上机械腿运动,只反测关节数据相对容易;但反测电机轴数据相对困难,因为滚珠丝杠本身具有力放大作用,逆向驱动(反转)时,相对费劲,此时人的步态很可能就不够自然了,因而得到的步态数据会有失真。所以,只反测关节数据时,也建议脱开丝杠驱动,以免造成不必要的步态失真。
    由于不赞成这样的测量方法,所以也就不认为有必要为此专门加装测量用编码器了。“滚珠丝杠本身不转动”看来楼主在这方面也是有所考虑了。
    至于,电机轴尾部的伸出转轴问题,完全取决于订货要求,交流伺服电机一般都是自带编码器的,除非有特殊需要,不必额外加装。

7.楼主的变时间周期调速方法,是固定轨迹点数,改变点间时间间隔;而定时间周期调速方法,则是根据目标速度,在固定的轨迹点之间,插补(或拟合)出中间点,可以使运动过程更为平滑,具体实现方法可以参阅有关数值计算方法,或数控技术。这样做,是要复杂一些,如果对于“暂时不需要无极变速”的需求而言,可以暂不考虑。

8.跑步机我不了解,4HP的功率也不小了,对于楼主的项目而言,不必太关心内部使用了什么电机,只需关注调速能力和调速接口,除手动调速外是否可以通过计算机接口,或者引出什么外部接口进行受控调速。

9.“北极”解释基本正确。目前无论是直流驱动和还是交流驱动,通过PWM进行电流控制还都是基于所谓的电压型变换器(逆变器)进行操作的,也就是根据实际电流和目标电流的差,有相应的算法给出控制电压,再由电机绕组电感对电压/电流的指数积分过程,最终达到调整电流的目的。其实楼主完全没有必要关心这些,了解就行了,否则楼主就得去炼铁甚至挖铁矿了。呵呵!

再这么聊下去,恐怕本人就要成楼主的导师了,呵呵!玩笑一句,无怪!另,不知楼主目前为哪家机构服务,如果便明说,是否可以通过留言告知,纯属好奇。

踏沙行

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发表于:2007-06-04 13:24:00
12楼
以前接触过一些关节似的机械手。但是机械腿,还是第一次。好 好学习下。不过,能给大家提供下电机的资料,供参考。以前有一个项目使用百格拉步进电机控制的。一会儿都给发到您信箱,看看吧。做个参考。给人用还是来点低压的好。

刘岩利

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发表于:2007-06-05 07:31:00
13楼
"但我们的目的是让人在跑步机上原地不动的走路(跑步机向后走,所以人相对地面来说就是原地不动),且速度对快不超过3km每小时。也就是说绝对不会有转弯、后退、蹦跳、上下坡的动作,因此,这种最简单,最标准的步行,就可以认为是(或者说简化为是)髋关节、膝关节和踝关节,3个关节在矢平面(人走路时前进的那个平面,腿就只在这个面内运动)内的转动运动。"
建议把人的身体用其它支架固定,也就是说,不需要腿脚来支撑重心,否则,这个人会摔得很惨的。

如果人与地面之间没有接触(也就是说,没有支撑身体的支架)那么人相对于地面是否运动是完全没有意义的概念。

波恩

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发表于:2007-06-05 14:51:00
14楼
“否则,这个人会摔得很惨的。”———楼主要是身先士卒,摔了自己,再惨也好说,要是摔了别人可真是难以想象哦!总之,实验安全一定要注意!!!

newsony

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发表于:2007-06-06 11:03:00
15楼
“既然有现成的PXI装备,应该继续发挥其效用和人的经验,运动控制卡未必一定要买NI的,目前研华,凌华等公司都有针对PXI的板卡,还可以提供LabView驱动。就楼主所描述的现状,运动控制卡应该是必用的,躲不掉。”


“波恩”老师,我这两天在网上查了一下,除了NI以外,研华和凌华都没有看到他们有生产针对PXI的运动控制板卡,针对PXI的数据采集卡倒是看到了。看来,想让我们的PXI装备发挥效用,就只能买NI的7340 Series,网上的官方报价要999美金。研华的PCI-1240运动控制板卡,相对便宜点,6000元,可惜不支持PXI。郁闷……

波恩

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发表于:2007-06-08 13:22:00
16楼
“999美金”vs“6000元”,差别不是太悬殊。
另,不必“郁闷”,作为项目的具体执行人员,据实回报,据理力争就是了。

longwaves

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发表于:2007-06-10 18:46:00
17楼
对斑竹只有两个字:佩服!

老鼠杰利

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发表于:2007-06-11 14:20:00
18楼
    最近很久没时间来看帖子了。今天来突然看到楼主准备做机械腿,很感兴趣阿。有几个问题还想和楼主讨论一下,希望能够得到楼主的解释。
    1. 你的整体的机械结构是怎么样的,固定端分别与髋关节和膝关节距离一段距离,然后使大腿和小腿在一定角度内转动。
    2. 需要的推力有多大,最高速度多少,有什么样的精度要求
    3. 由于是医疗设备,肯定要求比较洁净和安静吧。
其实你做的这个和机器人、机械手什么的有很大的差别,更象工业用。我们有一款产品应该比较适合你的应用,结构简单,成本也不高,整体封装好的。

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