開源桌面型直驅(qū)SCARA機(jī)器人
發(fā)布日期：2021-04-27 瀏覽次數(shù)：4656
產(chǎn)品概述
為更好地賦能機(jī)器人的教學(xué)、科研和產(chǎn)業(yè)化，公司推出自主研發(fā)的開源桌面型直驅(qū)SCARA系統(tǒng)，其核心運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器全自主開發(fā)，控制軟件和算法都可開源。系統(tǒng)是由四軸機(jī)械臂本體、伺服驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)、上位機(jī)和穩(wěn)壓電源組成。該產(chǎn)品是目前市場上唯一提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、交流伺服驅(qū)動(dòng)器都開源的教學(xué)、科研產(chǎn)品。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用國際上先進(jìn)的基于模型設(shè)計(jì)（MBD：Model-Based Design）的設(shè)計(jì)方法，軟硬件基于MATLAB/Simulink 和TI TMS320F28335 DSP 芯片架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。伺服驅(qū)動(dòng)器同樣采用基于模型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，在MATLAB/Simulink中實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的電流（FOC磁場定向控制）、速度、位置三閉環(huán)（PID）的驅(qū)動(dòng)控制算法。高校老師和學(xué)生能夠驗(yàn)證SCARA機(jī)器人多自由度運(yùn)動(dòng)控制算法、軌跡規(guī)劃算法等，并能開發(fā)高級的動(dòng)力學(xué)算法，還可以在該產(chǎn)品上開發(fā)各種機(jī)器人場景應(yīng)用。
圖1開源桌面型直驅(qū)SCARA機(jī)器人系統(tǒng)
該平臺有以下幾大特色：
1.開源成熟工業(yè)機(jī)械臂產(chǎn)品為實(shí)驗(yàn)載體，支撐機(jī)器人建模仿真、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及科研領(lǐng)域的算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)分析的控制實(shí)驗(yàn)等；
2.運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)不含減速器，伺服驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，控制器內(nèi)置，結(jié)構(gòu)緊湊輕巧；
3.重復(fù)定位精度30μm，伺服誤差±1脈沖；
4.控制系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行編程，用戶可以更好更便捷地研究控制算法，并可支撐更高級的控制算法驗(yàn)證。
5.控制系統(tǒng)采用雙CAN總線通訊，控制周期可以短到1ms。
6.提供交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流、速度、位置三閉環(huán)的伺服控制方法、以及梯形加減速、CAN總線通訊等運(yùn)動(dòng)控制算法。
7.支撐零力拖動(dòng)等高級動(dòng)力學(xué)算法和機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。
該產(chǎn)品提供豐富的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)案例，如正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、正逆解控制實(shí)驗(yàn)、軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)、單關(guān)節(jié)PID實(shí)驗(yàn)、單關(guān)節(jié)PID摩擦力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)、雙關(guān)節(jié)PID實(shí)驗(yàn)、雙關(guān)節(jié)PID摩擦力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)、零力拖動(dòng)等。該系統(tǒng)既可以作為電氣自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)器人工程專業(yè)、機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)、智能制造專業(yè)、自動(dòng)控制專業(yè)中相關(guān)如《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》、《機(jī)器人控制技術(shù)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《嵌入式控制系統(tǒng)及應(yīng)用》、《電機(jī)與伺服控制》、《機(jī)器人機(jī)電一體化技術(shù)》等課程的配套實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺，也同時(shí)支撐相關(guān)專業(yè)和課程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及伺服驅(qū)動(dòng)算法的科研平臺。
實(shí)驗(yàn)平臺組成
開源SCARA機(jī)器人系統(tǒng)主要分為控制系統(tǒng)和SCARA本體兩部分。
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控制系統(tǒng) |
SCARA本體 |
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由主控計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)控制器（cSPACE）兩部分組成?？刂瞥绦蛑С衷贛atlab/Simulink中編寫、自動(dòng)生成代碼、自動(dòng)編譯下載到控制器中和運(yùn)行。上位機(jī)和控制器之間采用串口通信。 |
由桌面直驅(qū)SCARA構(gòu)成。
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桌面型SCARA本體
桌面型SCARA機(jī)器人本體外觀如下圖所示。
圖2 SCARA本體外觀
本體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
圖3 SCARA本體結(jié)構(gòu)尺寸
本體性能指標(biāo)
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本體規(guī)格 |
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基本信息 |
1軸 |
臂長 |
160mm |
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旋轉(zhuǎn)角度 |
±90° |
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2軸 |
臂長 |
160mm |
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旋轉(zhuǎn)角度 |
±143° |
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Z軸 |
行程 |
160mm |
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R軸 |
旋轉(zhuǎn)范圍 |
±1080° |
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重復(fù)定位精度 |
±0.02mm |
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標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載 |
0.5kg |
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最大負(fù)載 |
1kg |
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自由度 |
4 |
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末端夾爪 |
支持 |
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電源 |
24V DC |
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整機(jī)高度 |
490mm |
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底座安裝尺寸 |
底座外形尺寸 |
200mm*200mm*8mm |
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底座固定孔位間距 |
160mm*160mm 配4個(gè)M5*12螺絲 |
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開源桌面型直驅(qū)SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)
SCARA控制系統(tǒng)是基于TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發(fā)。擁有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等豐富的硬件外設(shè)接口，以及一套功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計(jì)的功能，也是用于進(jìn)行基于模型設(shè)計(jì)（MBD：Model-Based Design）控制系統(tǒng)開發(fā)的教學(xué)和科研產(chǎn)品?？刂破魅缦聢D所示，是可對標(biāo)國際先進(jìn)的控制與半實(shí)物仿真領(lǐng)域的產(chǎn)品。
控制器結(jié)構(gòu)外觀
圖4桌面直驅(qū)SCARA機(jī)器人控制器
控制器性能參數(shù)
控制器性能參數(shù)
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處理器 |
主處理器：TMS320F28335 DSP 32位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器；CPU時(shí)鐘：150MHz |
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視覺位置信號接口 |
可以通過RS232或485接口采集視覺處理后的目標(biāo)位置信號 |
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輸入 |
IO輸入輸出：3通道 |
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輸出 （特定型號才具備，需要與公司溝通） |
D/A轉(zhuǎn)換器：4通道16 bit； 輸出范圍：-10~10V； 轉(zhuǎn)換時(shí)間：10us |
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編碼器 （特定型號才具備，需要與公司溝通） |
數(shù)字增量編碼器接口：2個(gè)獨(dú)立通道 電平：TTL或者RS422輸入，計(jì)數(shù)器位數(shù)：32-bit； 最大輸入頻率20 MHz； |
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通訊接口 |
串行接口 1路TTL 電平的SCI接口、1路485接口 CAN接口（CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)） |
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物理參數(shù) |
工作溫度：0~55℃ （典型值） |
控制器通用接口
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Robot Interface |
機(jī)械臂接口（含電源線，雙CAN通信線） |
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Gripper |
夾爪接口 |
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接口端子 |
CAN-A |
用于控制機(jī)械臂的部分關(guān)節(jié) |
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CAN-B |
用于控制機(jī)械臂的部分關(guān)節(jié) |
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GPIO |
用于擴(kuò)展其他自定義功能 |
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RS232 |
用于控制自定義的設(shè)備 |
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RS485 |
用于控制自定義的外設(shè) |
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SCI |
與上位機(jī)通信接口 |
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Controler Reset |
機(jī)械臂控制器復(fù)位按鈕 |
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Control Power |
控制器電源接口 |
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JTAG |
JTAG接口,用于仿真和燒寫DSP |
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Emergncy Switch |
緊急制動(dòng)開關(guān) |
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Robot Power |
24V電源接口 |
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2.2驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)外觀
圖5 驅(qū)動(dòng)器外觀
驅(qū)動(dòng)器性能參數(shù)
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處理器 |
主處理器：TMS320F28069 DSP 32位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器；CPU時(shí)鐘：90MHz |
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供電電壓 |
22V-28VDC |
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輸出相電流 |
持續(xù)電流 5A，峰值10A（外加散熱器） |
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控制方式 |
CAN總線通訊，支持位置、速度和力矩模式 |
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適配電機(jī) |
50W-300W 低壓交流伺服電機(jī)、直流無刷電機(jī)、伺服輪轂電機(jī) |
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通訊方式 |
CAN總線（默認(rèn)）、RS232 |
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一路獨(dú)立編碼器 |
多圈20位尼康絕對值編碼器 |
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制動(dòng)電阻 |
支持。開關(guān)電源的應(yīng)用場景，可以外接制動(dòng)電阻，保護(hù)控制器。 |
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冷卻方式 |
自然冷卻或外加散熱器 |
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防護(hù)等級 |
IP20（驅(qū)動(dòng)板） |
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使用場合 |
盡量避免粉塵、油霧及腐蝕性氣體 |
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工作溫度 |
-10℃-50℃ |
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保存溫度 |
-20℃－+80℃ |
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工作濕度 |
40－90%RH |
驅(qū)動(dòng)器通用接口
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功能 |
備注 |
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程序下載口 |
參考驅(qū)動(dòng)器接線定義文檔 |
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RS232接口 |
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編碼器電池接口 |
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編碼器接口 |
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CAN通訊接口 |
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電源及電機(jī)相線接口 |
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對外輸出24V電源 |
3上位機(jī)軟件
功能豐富的上位機(jī)軟件，可實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂本體，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂位姿，曲線顯示，數(shù)據(jù)下發(fā)，數(shù)據(jù)保存，位置點(diǎn)表循環(huán)運(yùn)行等功能。
圖6 桌面型SCARA機(jī)器人上位機(jī)軟件
4 SCARA仿真與控制
圖7 桌面型SCARA仿真
圖8 桌面型SCARA機(jī)械臂Simulink工具箱
圖9桌面型SACRA運(yùn)動(dòng)學(xué)控制模型
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
列表所列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為可以在本平臺完成的所有實(shí)驗(yàn)列表，所有實(shí)驗(yàn)程序均在Matlab/Simulink軟件中編寫，所有程序源代碼均開放，用戶可以自由修改，實(shí)驗(yàn)均配有演示視頻。
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實(shí)驗(yàn)類型 |
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 |
實(shí)驗(yàn)?zāi)康? |
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桌面型SCARA平臺基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) |
桌面型SCARA機(jī)器人平臺認(rèn)知實(shí)驗(yàn) |
1，熟悉桌面型SCARA機(jī)器人驅(qū)控開發(fā)平臺的搭建順序 2，掌握桌面型SCARA機(jī)器人驅(qū)控開發(fā)平臺的基本操作 3，熟悉桌面型SCARA機(jī)器人驅(qū)控開發(fā)平臺的上位機(jī)控制界面 |
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桌面型SCARA機(jī)器人單關(guān)節(jié)CAN通信實(shí)驗(yàn) |
4，熟悉機(jī)械臂系統(tǒng)的上電順序 5，熟悉機(jī)械臂上位機(jī)控制界面 6，熟悉CAN總線通訊指令 |
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桌面型SCARA運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn) |
桌面型SCARA機(jī)器人坐標(biāo)系和DH設(shè)定實(shí)驗(yàn) |
7，熟悉并掌握標(biāo)準(zhǔn)DH和改進(jìn)DH參數(shù)的設(shè)定 8，熟悉并掌握標(biāo)準(zhǔn)DH和改進(jìn)DH參數(shù)設(shè)定的區(qū)別 9，熟悉并掌握桌面型SCARA機(jī)器人DH參數(shù)設(shè)定坐標(biāo)系 |
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10，熟悉并掌握機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理 11，熟悉并掌握機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)的代碼編寫和校驗(yàn) 12，熟悉并掌握機(jī)器人工具箱有哪些常用的相關(guān)函數(shù)及其功能 13，熟悉并掌握通過正運(yùn)動(dòng)求解末端位姿的齊次變換矩陣 14，熟悉并掌握MATLAB的符號運(yùn)算 |
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15，熟悉并掌握機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理 16，熟悉并掌握機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)的M代碼編寫和仿真校驗(yàn) 17，熟悉并掌握機(jī)器人工具箱有哪些常用的相關(guān)函數(shù)及其功能 18，熟悉并掌握通過正運(yùn)動(dòng)求解末端位姿的齊次變換矩陣 |
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桌面型SCARA機(jī)器人平臺示教演示點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn) |
20，熟悉并掌握如何通過機(jī)械臂上位機(jī)進(jìn)行示教點(diǎn)燈。 |
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桌面型SCARA動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) |
桌面型SCARA機(jī)器人臂1動(dòng)力學(xué)PID實(shí)驗(yàn) |
21，熟悉并掌握如何通過Simulink配置控制器的編譯條件 22，熟悉并掌握如何通過Simulink搭建單關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)控制程序 23，熟悉并掌握如何使用機(jī)器人上位機(jī)控制界面控制機(jī)械臂 24，熟悉PID控制原理 25，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺動(dòng)力學(xué)單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)過程 |
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桌面型SCARA機(jī)器人臂1，臂2動(dòng)力學(xué)PID實(shí)驗(yàn) |
26，熟悉并掌握如何通過Simulink配置控制器的編譯條件 27，熟悉并掌握如何通過Simulink搭建雙關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)控制程序 28，熟悉并掌握如何使用機(jī)器人上位機(jī)控制界面控制機(jī)械臂 29，熟悉桌面型SCARA機(jī)器人動(dòng)力學(xué)雙關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)過程 |
本科和研究生教學(xué)課程：
1. 機(jī)器人學(xué)
2. 機(jī)器人建模與仿真
3. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)
典型教材推薦：
《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》華中科大楊叔子院士
《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論（第四版）》美國斯坦福大學(xué)John.J.Craig 教授
《機(jī)器人控制技術(shù)》陳萬米，上海大學(xué)教授，博士
《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第四版）》顧德英，東北大學(xué)，教授，碩導(dǎo)
《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》熊有倫華中科技大學(xué)教授博導(dǎo)，科學(xué)院院士
《MATLAB建模與仿真》 哈爾濱理工大學(xué) 副教授，碩導(dǎo)
支撐科研方向：
1.機(jī)械臂高精度軌跡跟蹤控制算法研究
2.動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識
3.碰撞檢測保護(hù)
4.拖動(dòng)示教
5.路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃
四應(yīng)用案例
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客戶單位 |
研究方向 |
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哈工大機(jī)器人（深圳）研究院 |
直驅(qū)SCARA軌跡規(guī)劃研究 |
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合肥工業(yè)大學(xué) |
動(dòng)力學(xué)控制研究 |
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西安工程大學(xué) |
動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識及前饋控制研究 |
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湖南大學(xué) |
碰撞檢測與阻抗控制 |
實(shí)驗(yàn)演示視頻
實(shí)驗(yàn)1. 桌面型SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)控制實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2. 桌面型SCARA機(jī)器人動(dòng)力學(xué)PID控制實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)3. 桌面型SCARA機(jī)器人系統(tǒng)抓取實(shí)驗(yàn)
