開源高精度工匠機器人系統(tǒng)
發(fā)布日期：2021-04-27 瀏覽次數(shù)：4030
一、產(chǎn)品概述
為更好地賦能機器人的教學(xué)、科研和產(chǎn)業(yè)化，公司推出自主研發(fā)的開源高精度工匠機器人系統(tǒng)，其核心運動控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動器全自主開發(fā)，控制軟件和算法都可開源。系統(tǒng)是由四軸機械臂本體、伺服驅(qū)動器、控制系統(tǒng)、上位機和穩(wěn)壓電源組成。該產(chǎn)品是目前市場上唯一提供機器人運動控制、交流伺服驅(qū)動器都開源的教學(xué)、科研產(chǎn)品。機器人控制系統(tǒng)采用國際上先進的基于模型設(shè)計（MBD：Model-Based Design）的設(shè)計方法，軟硬件基于MATLAB/Simulink和TI TMS320F28335 DSP芯片架構(gòu)進行開發(fā)。伺服驅(qū)動器同樣采用基于模型設(shè)計的設(shè)計方法，在MATLAB/Simulink中實現(xiàn)交流伺服電機的電流（FOC磁場定向控制）、速度、位置三閉環(huán)（PID）的驅(qū)動控制算法。高校老師和學(xué)生能夠驗證SCARA機器人多自由度運動控制算法、軌跡規(guī)劃算法等，并能開發(fā)高級的動力學(xué)算法，還可以在該產(chǎn)品上開發(fā)各種機器人場景應(yīng)用。
圖1開源高精度工匠機器人系統(tǒng)
該平臺有以下幾大特色：
1.開源成熟工業(yè)機械臂產(chǎn)品為實驗載體，支撐機器人建模仿真、機器人學(xué)、機器人控制、機器人動力學(xué)等教學(xué)實驗，以及科研領(lǐng)域的算法驗證實驗和振動分析的控制實驗等。
2.重復(fù)定位精度30μm，伺服誤差±1脈沖；
3.控制系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink軟件進行編程，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證。
4.控制系統(tǒng)采用雙CAN總線通訊，控制周期可以短到1ms。
5.提供交流伺服驅(qū)動器的電流、速度、位置三閉環(huán)的伺服控制方法、以及梯形加減速、CAN總線通訊等運動控制算法。
6.支撐零力拖動等高級動力學(xué)算法和機器人關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。
該產(chǎn)品提供豐富的運動學(xué)和動力學(xué)實驗案例，如正逆運動學(xué)分析實驗、正逆解控制實驗、軌跡規(guī)劃實驗、單關(guān)節(jié)PID實驗、單關(guān)節(jié)PID摩擦力補償實驗、雙關(guān)節(jié)PID實驗、雙關(guān)節(jié)PID摩擦力補償實驗、零力拖動等。該系統(tǒng)既可以作為電氣自動化專業(yè)、機器人工程專業(yè)、機械自動化專業(yè)、智能制造專業(yè)、自動控制專業(yè)中相關(guān)如《機器人學(xué)導(dǎo)論》、《機器人控制技術(shù)》、《機械設(shè)計基礎(chǔ)》、《嵌入式控制系統(tǒng)及應(yīng)用》、《電機與伺服控制》、《機器人機電一體化技術(shù)》、《機器人操作系統(tǒng)》 等課程的配套實驗實踐平臺，也同時支撐相關(guān)專業(yè)和課程的運動學(xué)、動力學(xué)及伺服驅(qū)動算法的科研平臺。
二實驗平臺組成
開源SCARA機器人系統(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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由主控計算機和實時控制器（cSPACE）兩部分組成?？刂瞥绦蛑С衷贛atlab/Simulink中編寫、自動生成代碼、自動編譯下載到控制器中和運行。上位機和控制器之間采用串口通信。 |
由高精度工匠機器人或輕便型桌面直驅(qū)SCARA構(gòu)成。
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01 SCARA本體
高精度工匠機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：
本體性能指標
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本體規(guī)格 |
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有效載荷 |
2kg |
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本體重量 |
16kg |
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工作半徑 |
600mm |
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控制自由度 |
4 |
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重復(fù)精度 |
±0.01mm |
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自由度參數(shù) |
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軸 |
關(guān)節(jié)范圍 |
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升降關(guān)節(jié) |
120mm |
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擺臂關(guān)節(jié)一 |
±115° |
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擺臂關(guān)節(jié)二 |
±135° |
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末端關(guān)節(jié) |
±360° |
電機本體參數(shù)
Z軸和大小臂電機
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電機性能參數(shù) |
單位 |
數(shù)值 |
|
輸出功率 |
W |
400 |
|
極數(shù) |
|
8 |
|
額定電壓 |
V |
48 |
|
額定轉(zhuǎn)速 |
rpm |
3000 |
|
最高轉(zhuǎn)速 |
rpm |
5000 |
|
額定轉(zhuǎn)矩 |
N.m |
1.2 |
|
瞬時最大轉(zhuǎn)矩 |
N.m |
4.4 |
|
額定電流 |
A |
10 |
|
瞬時最大電流 |
A |
30 |
|
線反電勢系數(shù) |
mV/rpm |
15 |
|
力矩系數(shù) |
N.m/A |
0.14 |
|
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 |
Kg.m2.10-4 |
1.6 |
|
線電阻 |
Ω |
0.25 |
|
線電感 |
mH |
0.55 |
|
重量 |
Kg |
1.5 |
|
反饋元件 |
多摩川17位絕對值編碼器 |
|
末端電機
|
電機性能參數(shù) |
單位 |
數(shù)值 |
|
輸出功率 |
W |
250 |
|
極數(shù) |
8 |
|
|
額定電壓 |
V |
48 |
|
額定轉(zhuǎn)速 |
rpm |
1500 |
|
最高轉(zhuǎn)速 |
rpm |
3000 |
|
額定轉(zhuǎn)矩 |
N.m |
1.59 |
|
瞬時陽大轉(zhuǎn)矩 |
N.m |
4.4 |
|
額定電流 |
A |
5 |
|
瞬時最大電流 |
A |
15 |
|
線反電勢系數(shù) |
mV/rpm |
15 |
|
力矩系數(shù) |
N.m/A |
0.29 |
|
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 |
Kg.m2.10-4 |
1.6 |
|
線電阻 |
Ω |
1 |
|
線電感 |
mH |
2.2 |
|
重量 |
Kg |
1.5 |
|
反饋元件 |
多摩川17位絕對值編碼器 |
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2.1控制器結(jié)構(gòu)外觀
圖3控制器正面接口圖
圖4控制器背面接口圖
控制器性能參數(shù)
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處理器 |
主處理器：TMS320F28335 DSP 32位浮點數(shù)字信號處理器；CPU時鐘：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個獨立通道 電平：TTL或者RS422輸入，計數(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標準） |
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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 |
用于控制機械臂的部分關(guān)節(jié) |
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CAN-B |
用于控制機械臂的部分關(guān)節(jié) |
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GPIO |
用于擴展其他自定義功能 |
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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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Digital Display |
板載4位七段數(shù)碼管（用于顯示不同控制指令信息） |
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SCI |
與上位機通信接口 |
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Controler Reset |
機械臂控制器復(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 |
緊急制動開關(guān) |
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Robot Power |
48V電源接口 |
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2.2驅(qū)動器結(jié)構(gòu)外觀
圖5 驅(qū)動器外觀 圖要更新
驅(qū)動器性能參數(shù)
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處理器 |
主處理器：TMS320F28069 DSP 32位浮點數(shù)字信號處理器；CPU時鐘：90MHz |
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供電電壓 |
22V-60VDC |
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輸出相電流 |
持續(xù)電流 15A，峰值 30A（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 |
100W-800W 低壓交流伺服電機、直流無刷電機、伺服輪轂電機 |
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通訊方式 |
CAN總線（默認）、RS232 |
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一路獨立編碼器 |
單圈17位絕對值RS485+AB |
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制動電阻 |
支持。開關(guān)電源的應(yīng)用場景，可以外接制動電阻，保護控制器。 |
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冷卻方式 |
自然冷卻或外加散熱器 |
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防護等級 |
IP20（驅(qū)動板） |
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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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電源及電機相線接口 |
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對外輸出24V電源 |
3上位機軟件
功能豐富的上位機軟件，可實時控制機械臂本體，實時顯示機械臂位姿，曲線顯示，數(shù)據(jù)下發(fā)，數(shù)據(jù)保存，位置點表循環(huán)運行等功能。
圖6上位機軟件
4 SCARA仿真與控制
圖7 SCARA仿真
圖8 SCARA機械臂Simulink工具箱
圖9 SACRA運動學(xué)控制模型
三、實驗內(nèi)容一覽
列表所列實驗內(nèi)容為可以在本平臺完成的所有實驗列表，所有實驗程序均在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，實驗均配有演示視頻。
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實驗類型 |
實驗內(nèi)容 |
實驗?zāi)康? |
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SCARA平臺基礎(chǔ)實驗 |
工匠智能機器人平臺認知實驗 |
1，熟悉工匠智能機器人驅(qū)控開發(fā)平臺的搭建順序 2，掌握工匠智能機器人驅(qū)控開發(fā)平臺的基本操作 3，熟悉工匠智能機器人驅(qū)控開發(fā)平臺的上位機控制界面 |
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工匠智能機器人單關(guān)節(jié)CAN通信實驗 |
1，熟悉機械臂系統(tǒng)的上電順序 2，熟悉機械臂上位機控制界面 3，熟悉CAN總線通訊指令 |
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SCARA運動學(xué)實驗 |
工匠智能機器人坐標系和DH設(shè)定實驗 |
1，熟悉并掌握標準DH和改進DH參數(shù)的設(shè)定 2，熟悉并掌握標準DH和改進DH參數(shù)設(shè)定的區(qū)別 3，熟悉并掌握工匠智能機器人DH參數(shù)設(shè)定坐標系 |
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工匠智能機器人正運動學(xué)分析實驗 |
1，熟悉并掌握機器人正運動學(xué)的原理 2，熟悉并掌握機器人正運動的代碼編寫和校驗 3，熟悉并掌握機器人工具箱有哪些常用的相關(guān)函數(shù)及其功能 4，熟悉并掌握通過正運動求解末端位姿的齊次變換矩陣 5，熟悉并掌握MATLAB的符號運算 |
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工匠智能機器人逆運動學(xué)分析實驗 |
1，熟悉并掌握機器人逆運動學(xué)的原理 2，熟悉并掌握機器人逆運動的M代碼編寫和仿真校驗 3，熟悉并掌握機器人工具箱有哪些常用的相關(guān)函數(shù)及其功能 4，熟悉并掌握通過正運動求解末端位姿的齊次變換矩陣 |
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工匠智能機器人平臺示教演示點燈實驗 |
1，熟悉工匠智能機器人平臺 2，熟悉并掌握如何通過機械臂上位機進行示教點燈。 |
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SCARA動力學(xué)實驗 |
工匠智能機器人臂1動力學(xué)PID實驗 |
1，熟悉并掌握如何通過Simulink配置控制器的編譯條件 2，熟悉并掌握如何通過Simulink搭建單關(guān)節(jié)動力學(xué)控制程序 3，熟悉并掌握如何使用機器人上位機控制界面控制機械臂 4，熟悉PID控制原理 5，熟悉實驗平臺動力學(xué)單關(guān)節(jié)控制實驗過程 |
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工匠智能機器人臂1，臂2動力學(xué)PID實驗 |
1，熟悉并掌握如何通過Simulink配置控制器的編譯條件 2，熟悉并掌握如何通過Simulink搭建雙關(guān)節(jié)動力學(xué)控制程序 3，熟悉并掌握如何使用機器人上位機控制界面控制機械臂 4，熟悉工匠智能機器人動力學(xué)雙關(guān)節(jié)控制實驗過程 |
本科和研究生教學(xué)課程：
1. 機器人學(xué)
2. 機器人建模與仿真
3. 機器人操作系統(tǒng)
4. 計算機控制技術(shù)
典型教材推薦：
《機器人學(xué)導(dǎo)論（第四版）》美國斯坦福大學(xué)John.J.Craig 教授
《機器人控制技術(shù)》陳萬米，上海大學(xué)教授，博士
《計算機控制技術(shù)（第四版）》顧德英，東北大學(xué)，教授，碩導(dǎo)
《機器人技術(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.機械臂高精度軌跡跟蹤控制算法研究
2.動力學(xué)參數(shù)辨識
3.碰撞檢測保護
4.拖動示教
5.柔順控制
6.高級自動控制算法
7.路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃
四、實驗演示視頻
實驗1.SCARA機械臂運動學(xué)控制實驗
實驗2.SCARA機械臂動力學(xué)PID控制實驗
實驗3.SCARA機械臂系統(tǒng)點燈控制實驗
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