隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的快速發(fā)展，機器人產(chǎn)業(yè)也將迎來新一輪融合創(chuàng)新發(fā)展浪潮。與人工智能技術、先進制造技術和移動互聯(lián)網(wǎng)技術融合發(fā)展形成的智能機器人，正掀起人類社會生產(chǎn)生活方式變革。

       在新一代信息技術的助力下，四足機器人實現(xiàn)自主巡檢作業(yè)、果園自主采摘有了智能農(nóng)業(yè)采摘機器人、外骨骼機器人實現(xiàn)助力優(yōu)化患者復健、建筑機器人實現(xiàn)自主鋪設地磚、手術機器人實現(xiàn)術前路徑優(yōu)化……

       不同種類的智能機器人在新一代信息技術的助力下，在越來越多領域發(fā)揮重要作用。其中，在研發(fā)這類智能化裝備時，“仿真控制技術”是重要的一個技術關鍵點。它在實現(xiàn)機器人智能化過程中作用顯著、應用頗多，已成為機器人等研發(fā)產(chǎn)品軟實力的重要指標。產(chǎn)業(yè)、資本、以及科研院所紛紛對此表現(xiàn)出高度重視。

       本文以合肥中科深谷科技有限公司（以下簡稱中科深谷）自主研發(fā)的高性能CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)為例，簡單介紹了其在康養(yǎng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民生及教育多個領域的應用情況。

       何為CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)？CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)是中科深谷推出的一套半實物仿真與控制系統(tǒng)，具有快速控制原型（RCP）與硬件在環(huán)仿真（HIL）兩大功能。

       機器人控制器是一個復雜的控制系統(tǒng)，中科深谷突破實時操作系統(tǒng)、基于模型設計的機器人實時仿真與控制、高精度軌跡跟蹤與動態(tài)軌跡規(guī)劃等核心技術，基于CSPACE開發(fā)出一套實時機器人控制器，具有實時、高效、開源等特點，為企業(yè)工程師研發(fā)產(chǎn)品提供有力支撐，助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

       中科深谷的CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)采用了一種基于模型設計的方法，將仿真建模與實際研發(fā)產(chǎn)品結合，引入高可靠性的實時軟硬件環(huán)境做技術保障，提供快速原型控制(RCP)與硬件在環(huán)回路(HIL)全套解決方案。該方案針對不同的應用場景，提供多種類型實時仿真機，減少了實際的多場景開發(fā)成本，CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)作為中科深谷自主創(chuàng)新研發(fā)的核心產(chǎn)品性能指標更是直接對標國際一線品牌的國產(chǎn)化替代，在新能源汽車、機器人與智能制造、康養(yǎng)智能裝備、農(nóng)業(yè)智能裝備、科研與教育領域有豐富的經(jīng)驗積累，為用戶提供了專業(yè)解決方案和優(yōu)質(zhì)服務。

中科深谷對機器人大講堂介紹，基于模型設計的開發(fā)方法可以徹底改變傳統(tǒng)的開發(fā)方法，在系統(tǒng)開發(fā)的初期階段就引入可靠性高的實時軟/硬件環(huán)境做技術保障，并貫穿于整個系統(tǒng)研發(fā)過程中，滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)和電子系統(tǒng)高效、精確、快速的設計要求，從而最大限度減少樣機系統(tǒng)試制次數(shù)，提高設計和開發(fā)效率。

目前，中科深谷已經(jīng)率先在業(yè)界落地了“基于模型設計”的開發(fā)模式，正期待更多開發(fā)者的共同參與。

具體來看，CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)相較傳統(tǒng)開發(fā)，特征優(yōu)勢主要體現(xiàn)在五個方面。

1、高性能實時仿真機。

基于x86高性能處理器與實時操作系統(tǒng)，為多任務處理提供實時組件化服務。

2、監(jiān)控測試管理軟件CS-LAB。

實現(xiàn)了實時仿真軟件平臺，將CS-LAB與MATLAB/Simulink集成，具備友好的人機交互界面，同時靈活性高、可擴展性強。

3、支持多功能高精度高速數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）。

包含AD、DA、數(shù)字量I/O、計數(shù)器/計時器等，通道數(shù)量可選，板卡類型豐富，提供高速精確信號采集接口。

數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)總線運動控制卡

4、支持豐富的工業(yè)實時工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線。支持CAN、CANopen、Modbus、EtherCAT、Ethernet/IP等,Profibus、Profinet、CC-Link等會陸續(xù)推出，具備強大的互通互聯(lián)能力。

5、提供詳細的解決方案與應用案例。以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，提供專業(yè)詳細的定制化解決方案。包括但不限于自主開發(fā)協(xié)作臂、并聯(lián)機器人、四驅四轉移動機器人、手術機器人、外骨骼機器人、助力機器人、自平衡智能電動車等開發(fā)案例，并提供相應的軟件算法包。

在此基礎上，我們看到CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)在各個領域都有著不錯的表現(xiàn)。

       下肢康復外骨骼機器人CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)重新定義醫(yī)療康復行業(yè)

與服務機器人、教育機器人等不同的是，外骨骼機器人需要與人體接觸，通過傳感器收集人體意圖，進行機械反饋，而如何準確獲得人體的意圖，也正是外骨骼機器人研發(fā)的難點。

      而中科深谷CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，為安徽某高校提供專業(yè)詳細的定制化解決方案。

      該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)，針對于下肢康復外骨骼機器人，構建精確的系統(tǒng)控制模型，該系統(tǒng)由仿生機械腿、動力源與驅動器、多個傳感器以及控制器四個主要部分組成。

      在其開發(fā)過程中突破了人體下肢運動生物力學、外骨骼機構運動學及動力學、運動狀態(tài)檢測及人體運動意圖識別、運動規(guī)劃、驅動系統(tǒng)控制等關鍵技術。下肢康復外骨骼機器人的研發(fā)全過程都是基于模型的設計方法開發(fā)，控制系統(tǒng)全部開源，提供PTP運動、人體步態(tài)規(guī)劃運動、柔順控制等運動學、動力學算法實驗案例。

圖 | Solidworks三維建模

物理聯(lián)合仿真

工業(yè)領域創(chuàng)新實踐痛點難點多

CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)助力工業(yè)制造智能化

工業(yè)領域涵蓋的范圍較廣，這里我們選取了中科深谷開發(fā)的建筑機器人以及煤礦機器人細分領域案例。

01、智能機器人協(xié)作鋪磚系統(tǒng)

       目前，建筑機器人可以在場外進行預先構建和預先生產(chǎn)，模塊化建筑取得迅速發(fā)展，但很多建筑公司、建筑高校在建筑機器人核心算法研究以及機器人實時運動控制器開發(fā)領域仍欠缺相關經(jīng)驗。面對作業(yè)環(huán)境惡劣、場景差異性大、施工面復雜多變等客觀現(xiàn)實，建筑機器人在核心零部件以及核心算法的要求方面，與工業(yè)機器人等產(chǎn)品有很大差異。

圖 | 智能機器人協(xié)作鋪磚系統(tǒng)模型圖和現(xiàn)場圖

       中科深谷CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)在機器人控制器開發(fā)領域擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗以及成熟產(chǎn)品，在建筑機器人算法研究方向積累了多年的研究經(jīng)驗，控制器全開源，成功為西安某高校提供專業(yè)詳細的定制化解決方案。

       該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)，針對復雜的智能鋪地磚機器人，構建精確的系統(tǒng)控制模型，以XY模組代替機器人移動的腳，節(jié)卡協(xié)作機械臂代替人工的手，視覺系統(tǒng)代替人的眼睛，控制系統(tǒng)代替人的大腦，整套系統(tǒng)完美模擬了建筑工人在實際建筑工作中的場景。

       智能機器人協(xié)作鋪磚系統(tǒng)是基于CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)和MATLAB/Simulink開發(fā)的教科研平臺。其由機械臂本體（6個機械臂關節(jié)及其連桿和底座）、控制系統(tǒng)、鋪磚工具、上位機和穩(wěn)壓電源組成。每個機械臂關節(jié)由諧波減速機、力矩電機、高精度絕對值編碼器、高精度增量式光電編碼器和伺服驅動器組成。

       智能鋪瓷磚機器人代替工人從瓷磚盒里拿瓷磚，再抹灰，搬送到貼瓷磚處，輕輕放下，檢查瓷磚貼入位置，最后輕壓瓷磚的動作，確保瓷磚整齊嚴實，逐步實現(xiàn)了在智能建筑行業(yè)的工業(yè)化、智能化、柔性化、數(shù)字化的有益探索。

02、綜掘工作面邁步式掘錨支協(xié)同機器人

       掘進機器人系統(tǒng)同樣是當前一個新興細分領域，其涉及機械、液壓、電氣、控制等多個龐大而復雜的領域，對各種技術的協(xié)同和融合要求非常高。產(chǎn)品開發(fā)往往需要以智能化控制為核心，將產(chǎn)品研發(fā)和過程控制作為一個完整的系統(tǒng)，貫穿于設計和制造的全過程。

      中科深谷助力國內(nèi)某高校研究的全新綜掘工作面邁步式掘錨支協(xié)同機器人給出了解決方案。

       據(jù)悉，中科深谷同樣是通過采用CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)，針對復雜的液壓機器人設備，構建精確的系統(tǒng)控制模型，反復聯(lián)調(diào)測試改進，直至每個液壓單元正常工作，實際效果與仿真一致，同時基于MBD方式優(yōu)化改進控制算法，高效解決機電液系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)辨識、泵閥復合電液控制功率匹配與自適應協(xié)同控制、電控系統(tǒng)脈動監(jiān)測與抑制等核心技術難點。

無人智能農(nóng)業(yè)分揀作業(yè)系統(tǒng)

CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化

       在農(nóng)業(yè)領域，仿真驗證技術的高效、研制周期短、制成本低成了機器人來應對農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域面臨的基礎設施低、生產(chǎn)成本高的挑戰(zhàn)，其中機器人自動化過程、計算機視覺抓取、分揀和包裝機器人的協(xié)調(diào)能力和跟蹤等技術幫助農(nóng)民實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、精準化。不僅可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更高效，還能降低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)資源消耗！

       憑借著多領域產(chǎn)業(yè)布局的優(yōu)勢，中科深谷就在CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)的基礎上，推出了全柔性農(nóng)業(yè)智能分揀作業(yè)系統(tǒng)。

       該系統(tǒng)通過無人駕駛智能采摘平臺與基于深度學習的自動揀選平臺和無人化智能倉儲及協(xié)同控制系統(tǒng)組合，實現(xiàn)客戶一站式實現(xiàn)采摘、運送、分揀、存儲環(huán)節(jié)的全流程自動化的需求。同時，該系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求靈活擴展，兼具高柔性、高效率和高準確性的優(yōu)勢。

據(jù)悉，目前無人化智能農(nóng)業(yè)分揀作業(yè)系統(tǒng)已成功應用在某省無人智慧中心建設項目。

       在中科深谷協(xié)同控制系統(tǒng)的支持下，無人駕駛智能抓取平臺與無人控制開源識別平臺和倉儲貨架及控制系統(tǒng)協(xié)同合作，采摘、運輸、識別、存儲環(huán)節(jié)均無需人工操作，進一步提升整體效率和自動化能力、降低配送成本。

民生醫(yī)療 腔鏡手術機器人

CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)助力微創(chuàng)精準診療

       目前，醫(yī)療機器人行業(yè)已經(jīng)有微型仿生機器械臂、腔內(nèi)開放視野的視覺成像技術等多項創(chuàng)新，但很多醫(yī)療器械公司在手術機器人核心算法研究以及機器人實時運動控制器開發(fā)領域仍欠缺相關經(jīng)驗。

       因此，中科深谷CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)憑借在機器人控制器開發(fā)領域擁有的豐富研發(fā)經(jīng)驗以及成熟產(chǎn)品，以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，為客戶提供了專業(yè)詳細的定制化解決方案。

       據(jù)悉，該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)，針對復雜的九軸手術機器人，構建精確的系統(tǒng)控制模型，搭載有實時內(nèi)核的運動控制器，總線運動控制周期可達1ms。

       基于模型設計方法（RCP&HIL）優(yōu)化改進控制算法，高效解決參數(shù)辨識、高精度的正逆運動學求解以及笛卡爾空間軌跡規(guī)劃、狹小空間的臂型角運動控制等核心技術難點，最大程度實現(xiàn)了用少量的人手快速開發(fā)一套安全、實時的設備。同時，CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)解決方案也讓臨床中患者手術的安全更能得到保障，手術路徑提前得到優(yōu)化。

圖 | 控制器功能架構圖

機器人與智能制造科研方向

CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)助力科研院所搭建機器人科研平臺

       科研領域同樣是CSPACE大顯身手的重要舞臺。CSPACE在搭建工業(yè)機器人科研平臺和高校教學領域都有著較強價值。

       據(jù)悉，CSPACE助力合肥工業(yè)大學搭建工業(yè)六軸機器人科研平臺，實現(xiàn)對EtherCAT總線機械臂的運動學和動力學控制，助力該校教師生在該平臺上實現(xiàn)復雜的控制算法創(chuàng)新。

       而在哈爾濱工程大學智能制造產(chǎn)線中，則通過CSPACE與協(xié)作機器人協(xié)同應用，拓展智能化系統(tǒng)中的數(shù)字化能力，使制造和過程運營管理更敏捷地響應未來需求。

       正由于實時仿真的優(yōu)勢，CSPACE已經(jīng)在許多高校及科研院所得到了越來越多的應用。在教學過程中學生可以通過實時仿真器來對控制器進行非常接近真實情況的測試與驗證?；趯崟r仿真的實驗系統(tǒng)引進先進理念和技術，支持設計型、研究型創(chuàng)新實驗的開展，適應創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需要。

       目前，該系統(tǒng)廣泛應用于機器人、電機驅動、電力電子、汽車電子、自動駕駛、過程控制、機電一體化設備等控制領域，能有效支撐高校教學中的自動化、機器人、機械電子、電氣工程、機械工程、電子信息等專業(yè)教學中的《機電傳動控制》、《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、 《智能控制理論》、《MATLAB 編程與應用》、《傳感器與檢測技術》、《信號與系統(tǒng)》、《機器人學》、 《電機學》 、《運動控制系統(tǒng)》 等建模與仿真教學課程。

       通過以上CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)的經(jīng)典案例不難看出，CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)可以完全融合各種機器人，并拓展了機器人功能中“人”的屬性，使得機器人能出色地融入不同定制化場景，實現(xiàn)效率最大化。

       隨著人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟，機器人將持續(xù)推動生產(chǎn)水平提高、生活品質(zhì)提升，有力促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。在此過程中，中科深谷正在保持著創(chuàng)新理念，深度挖掘客戶需求，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，精準挖掘企業(yè)痛點，并以創(chuàng)新舉措提供著更專業(yè)的應用解決方案，為建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系、構筑美好生活新圖景，提供強力的技術支撐，推動我國產(chǎn)業(yè)升級，加快實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。