開源6D并聯(lián)機器人系統(tǒng)
發(fā)布日期：2021-04-27 瀏覽次數(shù)：4061
一、平臺概述
六軸（6D）并聯(lián)機器人系統(tǒng)的本體是由六支可伸縮電動缸、上下平臺以及上下各六只萬向節(jié)組成，控制系統(tǒng)是基于MATLAB/Simulink和DSP 28335設(shè)計，采用基于模式設(shè)計（MBD:Model-Based Design）的開發(fā)方式，對并聯(lián)機器人的運動進行分析、仿真和設(shè)計開發(fā)。通過六支電動缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（x，y，z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。
系統(tǒng)提供伺服驅(qū)動、機器人仿真、運動學逆解等實驗案例，并針對實驗案例，提供相應(yīng)的開源算法，滿足高等院校、科研機構(gòu)在傳動及控制技術(shù)領(lǐng)域的教學科研等工作。
該系統(tǒng)涉及了機械、液壓、電氣、控制、機器人、計算機、傳感器、信號處理等專業(yè)，可作為這些專業(yè)相關(guān)課程的配套教學平臺之外，還可商業(yè)化后應(yīng)用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、動感娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接。
該系統(tǒng)的產(chǎn)品特點有：
1.機械本體部分采用工業(yè)級的電機及伺服電動缸，負載大，性能穩(wěn)定，定位精度高。
2.底層伺服驅(qū)動代碼開源，采用MATLAB/Simulink開發(fā)，支持用戶進行電機算法研究以及二次開發(fā)
3.機器人運動學采用MATLAB/Simulink進行開發(fā)，模塊化圖形化編程方式，提供開源的算法及實驗案例，最大程度滿足高校各專業(yè)的教學科研需求。
4.系統(tǒng)采用MBD的設(shè)計方法，涉及分析、建模、仿真、實物控制等過程
5.配備友好的人機交互界面，可進行機器人運動控制及實時位姿反饋，并可進行其他自定義控制命令下發(fā)、數(shù)據(jù)波形顯示記錄等
6.機械結(jié)構(gòu)上配有限位開關(guān)，提供安全保護功能
二、平臺硬件組成
系統(tǒng)包含機械結(jié)構(gòu)、電動缸、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機。
機械結(jié)構(gòu)：
結(jié)構(gòu)由底座、上下平臺、電動缸、上下平臺及上下各六只萬向鉸鏈組成。
電動缸：
電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，該電動缸以電力作為直接動力源，采用低壓交流伺服電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過構(gòu)件間的螺旋運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動，再由絲杠帶動缸筒或負載做往復(fù)直線運動。
該伺服電動缸參數(shù)如下所示：表號與表名，后不贅述
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電機額定功率 |
400W |
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電機額定電壓 |
48V |
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電機額定扭矩 |
1.27Nm |
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瞬時最大扭矩 |
3.2Nm |
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額定轉(zhuǎn)速 |
3000rpm |
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瞬時最大轉(zhuǎn)速 |
3200rpm |
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額定電流 |
10A |
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瞬時最大電流 |
25A |
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缸徑 |
40mm |
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重復(fù)定位精度 |
±0.02mm |
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導程 |
5mm |
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最大推力 |
1280N |
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最快速度 |
250mm/s |
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最長行程 |
250mm |
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最大負載質(zhì)量 |
40kg |
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螺桿等級 |
C7 1205 |
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活塞桿旋轉(zhuǎn)角度 |
±0.3度 |
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最大驅(qū)動扭矩 |
1.8Nm |
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磁性開關(guān) |
24V NPN 常開 |
驅(qū)動系統(tǒng)：
驅(qū)動系統(tǒng)由6個開關(guān)電源和6個驅(qū)動器組成，均安裝于機械結(jié)構(gòu)的底座的內(nèi)部。
開關(guān)電源的220V輸入由底座前方的“AC220V輸入接口”及“AC220V急停開關(guān)”提供，開關(guān)電源的48V輸出作為驅(qū)動器的電源輸入。每個開關(guān)電源和驅(qū)動器獨立向每個伺服電動缸提供電源。
開關(guān)電源參數(shù)
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輸出 |
輸出電壓 |
48V |
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額定電流 |
7.3A |
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額定功率 |
350.4W |
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最大紋波噪聲 |
200mVp-p |
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電壓調(diào)整范圍 |
43.2V~52.8V |
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電壓精度 |
±1% |
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線性調(diào)整率 |
±0.5% |
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負載調(diào)整率 |
±0.5% |
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啟動、上升時間 |
1500ms，50ms/230VAC; 1500ms，50ms/115VAC（滿載） |
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保持時間 |
16ms/230VAC； 12ms/115VAC（滿載） |
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輸入 |
電壓范圍 |
90~132VAC/180~264VAC（通過開關(guān)選擇） 240~370VDC（開關(guān)開啟230VAC） |
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頻率范圍 |
47~63Hz |
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效率 |
89% |
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交流電流 |
6.8A/115VAC；3.4A/230VAC |
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浪涌電流 |
冷啟動60A/115VAC；60A/230VAC |
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漏電流 |
＜2mA/240VAC |
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保護 |
過負載 |
額定輸出功率的110~140% |
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關(guān)斷輸出，重啟恢復(fù) |
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過電壓 |
55.2~64.8V；關(guān)斷輸出電壓，重啟恢復(fù) |
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過溫度 |
關(guān)斷輸出電壓，重啟恢復(fù) |
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功能 |
風扇控制 |
RTH3≥50℃開啟，≤40℃關(guān)斷 |
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環(huán)境 |
工作溫度 |
-25~70℃ |
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工作濕度 |
20~90%RH，無冷凝 |
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儲存溫度、濕度 |
-40~85℃，10~95%RH |
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溫度系數(shù) |
±0.03%/℃（0~50℃） |
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耐振動 |
10~500Hz，5G 10分鐘/周期，X、Y、Z各60分鐘 |
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安規(guī) |
安全規(guī)范 |
IEC/UL62368-1，BSMI CNS14336-1，EAC TP TC 004，KC |
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耐壓 |
I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG:100M Ohms/500VDC/25℃/70%RH |
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電磁兼容發(fā)射 |
符合BSMI CNS13438，EAC TP TC 020，KC KN32 |
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電磁兼容抗擾度 |
符合EAC TP TC 020，KC KN32 |
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其他 |
尺寸 |
L215mm*W115mm*H30mm |
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重量 |
0.76kg |
驅(qū)動器參數(shù)
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動力電源 |
24VDC～60VDC（典型48V） |
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邏輯電源 |
從動力電源轉(zhuǎn)換 |
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最大連續(xù)輸出電流 |
15A |
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峰值電流 |
30A |
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反饋信號 |
支持HALL+增量式光電編碼器、485總線的絕對值編碼器（多摩川） |
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能耗制動 |
需外接制動電阻（根據(jù)實際情況而定） |
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能耗制動電壓吸收點 |
可設(shè)置 |
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過壓報警 |
可設(shè)置 |
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欠壓報警 |
可設(shè)置 |
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冷卻方式 |
風冷 |
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重量（KG） |
0.2KG |
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輸入規(guī)格 |
RS232、CAN總線 |
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輸入功能 |
電流、速度、位置控制；驅(qū)動器參數(shù)的設(shè)置 |
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輸出規(guī)格 |
CAN總線 |
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輸出功能 |
查詢驅(qū)動器狀態(tài) |
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機械抱閘 |
具有機械抱閘的驅(qū)動電路和接口 |
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RS232通信 |
最大支持115.2K波特率，自定義協(xié)議 |
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保護功能 |
超速、過流、過壓、欠壓、過載、超差、編碼器故障、內(nèi)部芯片故障、模塊故障 |
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CAN通信 |
最大支持1M波特率，自定義協(xié)議；支持CANOpen協(xié)議（定制） |
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工作溫度 |
0~40℃ |
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保存溫度 |
-20~85℃ |
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濕度 |
40%~80%RH無結(jié)露 |
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保護等級 |
IP20 |
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安裝場所 |
無粉塵干燥 |
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安裝方式 |
垂直安裝 |
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高度 |
1000m以下 |
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大氣壓 |
86kPa~106kPa |
控制系統(tǒng)：
控制系統(tǒng)由控制器和穩(wěn)壓電源組成。
穩(wěn)壓電源向控制器提供48V左右恒定電壓?？刂破魇褂肅AN總線，通過機械結(jié)構(gòu)底座上的接口，向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制命令，同時讀取伺服驅(qū)動器狀態(tài)和電動缸狀態(tài)。
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處理器 |
TMS320F28335 |
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處理器主頻 |
150MHz |
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IO輸入輸出 |
3通道 |
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AD輸入（定制） |
16通道，0~3V，12位，轉(zhuǎn)換時間250ns；6通道，-10V~10V，16位，轉(zhuǎn)換時間3.1us |
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DA輸出（定制） |
4通道，-10V~10V，16位，建立時間10us |
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編碼器（定制） |
支持2通道的數(shù)字增量式、32位計數(shù)、最大輸入頻率20MHz |
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通訊接口 |
SCI、RS485、CAN2.0A |
開發(fā)概圖
Simulink模型圖
三、實驗內(nèi)容
列表3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，可以自由修改，實驗均配有演示視頻。
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實驗內(nèi)容 |
實驗?zāi)康? |
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并聯(lián)機器人認知實驗 |
熟悉并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)及定義 |
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并聯(lián)機器人運動學基礎(chǔ) |
掌握并聯(lián)機器人的旋轉(zhuǎn)矩陣及坐標變換 |
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并聯(lián)機器人基本控制實驗 |
掌握串口通信和CAN通信 |
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并聯(lián)機器人運動學逆解仿真實驗 |
掌握并聯(lián)機器人的逆解求解方法 |
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并聯(lián)機器人運動學逆解實時控制實驗 |
掌握并聯(lián)機器人的實物控制模型算法 |
本科和研究生教學課程：
1.機器人學
2.機器人建模與仿真
5.機器人操作系統(tǒng)
6.計算機控制技術(shù)
典型教材推薦：
《機器人學導論（第四版）》美國斯坦福大學John.J.Craig教授
《機器人控制技術(shù)》陳萬米，上海大學教授，博士
《計算機控制技術(shù)（第四版）》顧德英，東北大學，教授，碩導
《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》熊有倫華中科技大學教授博導，科學院院士
《MATLAB建模與仿真》哈爾濱理工大學副教授，碩導
支持科研方向
1.并聯(lián)機器人正解算法研究
2.并聯(lián)機器人速度加速度研究
3.并聯(lián)機器人應(yīng)用
4.并聯(lián)機器人建模研究
5.并聯(lián)機器人控制研究
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