一、產(chǎn)品概述

      開源模塊化協(xié)作機器人綜合平臺是為更好地賦能機械臂的教學(xué)、科研和產(chǎn)業(yè)化而設(shè)計的。平臺涉及到機器人操作系統(tǒng)、機器人建模與仿真、機器人運動控制、傳感器及檢測技術(shù)、機器視覺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)既可以作為自動化、機器人、機械電子、智能制造、機械工程等專業(yè)中的《機器人學(xué)導(dǎo)論》、《機器人控制技術(shù)》、《計算機控制技術(shù)》、《電機與伺服控制》、《機器人學(xué)》、《機電一體化技術(shù)》、《機器人操作系統(tǒng)》 等課程的配套實驗實踐平臺，也同時支撐機器人相關(guān)專業(yè)和課程的運動學(xué)、動力學(xué)、伺服驅(qū)動、運動控制、智能控制等算法的研究。

      該平臺提供一套機器人模塊，涵蓋4種驅(qū)動模塊（基于機電一體化關(guān)節(jié)擴展，包含轉(zhuǎn)動模塊、直線運動模塊、夾持器模塊），6種構(gòu)件模塊，3種智能感知模塊供選配（深度相機、關(guān)節(jié)力傳感器、六維力傳感器等）。

      通過這些模塊組合，可完成三自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)機械臂，四自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)機械臂，六自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)機械臂，二自由度云臺等機器人的研究。

三軸、六軸協(xié)作機械臂

傳送帶動態(tài)抓取                                                         基于視覺的水果采摘

二、方案特點

1、MBD工程開發(fā)方法基于模型的設(shè)計（MBD）是主要針對汽車、飛機、機器人等電控系統(tǒng)、雷達導(dǎo)航等信號處理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等較復(fù)雜的需要單片機或計算機作為主處理器的控制系統(tǒng)設(shè)計，通過MATLAB軟件并綜合采用物理建模、計算機仿真、自動代碼生成和實時控制、軟件模型與控制器交互測試驗證的一種先進的開發(fā)方法。

MBD工程開發(fā)優(yōu)勢有：

①充分利用MATLAB國際先進的工程軟件，豐富的算法等資源

②建模、仿真、實時控制一體

③自動代碼生成，快速驗證（RCP快速控制原型開發(fā)）

④HIL硬件在環(huán)仿真測試（控制器控制軟件模型）

⑤模塊化設(shè)計、易于整合和集成、易于承接工作、易于團隊協(xié)作

圖1 基于MBD的V型開發(fā)流程

2、成熟工業(yè)機械臂產(chǎn)品為實驗載體

      開源成熟工業(yè)機械臂產(chǎn)品為實驗載體，立足教育，面向工業(yè)，支撐機器人建模仿真、機器人運動學(xué)及控制、機器人動力學(xué)及控制等教學(xué)實驗，以及科研領(lǐng)域的算法驗證實驗和打磨等高級工業(yè)級應(yīng)用的控制實驗等。

3、模塊化設(shè)計

      利用標準統(tǒng)一的機械、硬件接口，模塊化搭建構(gòu)成多類機械臂產(chǎn)品，不僅可以實現(xiàn)硬件系統(tǒng)“積木式”搭建，還可以基于核心模塊進行自由拓展設(shè)計不同產(chǎn)品模塊。

4、全開源

      提供機器人應(yīng)用、算法、控制與驅(qū)動、仿真等實例和源碼，滿足機器人全棧工程師培養(yǎng)、機器人高級運動控制科研和工業(yè)級項目應(yīng)用需求。

5、提供豐富的案例

      提供豐富的機械臂運動學(xué)、動力學(xué)控制案例，方便地掌握機械臂控制系統(tǒng)的技術(shù)，進行更深入的研究；可進行參數(shù)辨識、柔順控制、拖動示教、碰撞保護等高級動力學(xué)算法和機器人關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。

圖2 六軸協(xié)作機械臂典型案例

圖3 機械臂視覺螺絲鎖付案例

圖4 開源智能雙臂協(xié)作機器人案例

三、課程項目

可根據(jù)課程方向選擇，含機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)控制、系統(tǒng)與仿真、智能控制四部分。

第一部分：

第二部分：運動學(xué)控制（根據(jù)課程目標可選）

第三部分：系統(tǒng)與仿真

第四部分：智能控制

四、核心模塊

1、CSPACE控制與半實物仿真系統(tǒng)

      CSPACE控制與半實物仿真系統(tǒng)是基于DSP、ARM或者x86硬件架構(gòu)和MATLAB/Simulink開發(fā)。擁有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI、EtherCAT等豐富的硬件外設(shè)接口，以及一套功能強大的監(jiān)控軟件。結(jié)合計算機仿真和嵌入式實時控制技術(shù)，能實現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計的功能，也是用于進行基于模型設(shè)計（MBD：Model-Based Design）控制系統(tǒng)開發(fā)的教學(xué)和科研產(chǎn)品。CSPACE控制器如下圖所示，是可對標國際先進的控制與半實物仿真領(lǐng)域的產(chǎn)品。

圖5 CSPACE控制與半實物仿真系統(tǒng)操作系統(tǒng)版和單機版

2、高精度機電一體化關(guān)節(jié)模組

      機械臂關(guān)節(jié)模組是由伺服驅(qū)動器、無框力矩電機、諧波減速機、光電編碼器（減速機前）、絕對值編碼器（減速機后，測量機械臂的輸出軸的絕對角度）和繼電器抱閘等部件組成，并集成在一個關(guān)節(jié)中，很適合組裝成多軸機械臂，也可以作為其它自動化設(shè)備使用。其具有傳動效率更高，結(jié)構(gòu)緊湊，能實現(xiàn)更大的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和瞬間扭矩輸出，具有“小身材，大力氣”、高精度的特點。關(guān)節(jié)模組伺服驅(qū)動器自主開發(fā)，性能優(yōu)異，開放電流、速度、位置三環(huán)控制，支撐高級動力學(xué)算法研究。

圖6 關(guān)節(jié)模組構(gòu)成

五、配套系統(tǒng)及軟件支持

1、MATLAB/Simulink

MATLAB/Simulink 2020b，搭載機器人工具箱Robotic Toolbook for Matlab

2、開源機器人操作系統(tǒng)（ROS）

操作系統(tǒng)：Ubuntu18.04系統(tǒng)，配套開源機器人操作系統(tǒng)ROS melodic

3、Moveit-Gazebo