機器人的動力學(xué)建模是機器人實現(xiàn)動力學(xué)控制高級算法的前提，常用的求解機器人動力學(xué)方程的方法有牛頓-歐拉法、拉格朗日法等，對于多軸串/并聯(lián)機器人，如何求解精確的機器人動力學(xué)模型是當(dāng)前的研究熱點之一。機器人建模與控制科研實驗室配置有高級開源六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)、開源七軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)，可為研究機器人建模與控制提供良好的科研平臺。

  支持研究方向

  多軸串/并聯(lián)機器人動力學(xué)建模技術(shù)研究；

  機器人參數(shù)辨識技術(shù)研究；

  基于力傳感器的機器人動力學(xué)控制技術(shù)研究；

  機器人阻抗/導(dǎo)納控制技術(shù)研究；

  機器人力位混合控制算法研究；

  機器人運動學(xué)正逆解算法研究。

  I.高級開源六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)（帶關(guān)節(jié)扭矩傳感器）

  產(chǎn)品概述

  帶力控開源六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)，主要由帶六個機械臂關(guān)節(jié)模組的本體、每個關(guān)節(jié)的法蘭輸出安裝有扭矩傳感器、伺服驅(qū)動器、運動控制器、監(jiān)控軟件、控制算法組成。機械臂的結(jié)構(gòu)小巧，一體化的驅(qū)動器和六軸運動控制器核心技術(shù)全自主研發(fā)。

  控制器采用cSPACE快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)，軟件部分是基于TI AM437x RT-Linux和MATLAB/Simulink開發(fā)，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。

  伺服驅(qū)動器采用TI TMS320F28069 DSP開發(fā)，伺服性能優(yōu)良，單關(guān)節(jié)采用20000線的增量式編碼器、17位的絕對值編碼器，分辨率小于0.001°，單關(guān)節(jié)的重復(fù)定位精度優(yōu)于0.005°。自主開發(fā)的伺服驅(qū)動器，為教學(xué)和科研提供優(yōu)越的開放性支撐。

  機械臂的重復(fù)定位精度優(yōu)于±0.03mm，易于安裝布置，使用便利，性價比高，末端位置和運動軌跡支持C語言編程進行設(shè)置，也支持通過Ethernet、CAN和RS232總線通訊傳輸目標(biāo)位置信號，進行視覺抓取、搭載在AGV上進行移動作業(yè)的應(yīng)用。

  系統(tǒng)控制算法代碼開源，提供豐富的運動學(xué)、動力學(xué)控制實驗以及伺服電機控制實驗案例，如正逆運動學(xué)實驗、關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間軌跡算法實驗、單雙關(guān)節(jié)PID動力學(xué)和自適應(yīng)控制算法實驗以及零力拖動實驗等。該系統(tǒng)可以支撐相關(guān)專業(yè)和課程的運動學(xué)、動力學(xué)建模與控制相關(guān)算法的研究。

  開發(fā)概圖

  高級開源六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)

  產(chǎn)品特點

  開源成熟協(xié)作機械臂產(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。

  單關(guān)節(jié)模組由諧波減速機、力矩電機、高精度絕對值編碼器、高精度增量式光電編碼器、驅(qū)動器等組成，伺服驅(qū)動器提供電流、速度、位置工作模式，可以支持機械臂運動學(xué)、動力學(xué)的研究，也可支持直流供電的交流伺服驅(qū)動器的電流、速度、位置三閉環(huán)的伺服控制方法、以及梯形加減速等運動控制算法的研究。

  控制器采用cSPACE進行開發(fā)，提供EtherCAT或CAN總線通訊接口可供選型，控制周期可以小到2ms?？刂破饔布贏RM Cortex-A9，性能優(yōu)良，運算能力強，采用Matlab/Simulink軟件進行編程，可以更好更快地研究高級自動控制算法。

  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、零力拖動示教、碰撞保護檢測等高級動力學(xué)算法和機器人關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。

  提供拉格朗日模型、PID、自適應(yīng)控制、帶摩擦力和重力補償?shù)葎恿W(xué)實驗。

  控制系統(tǒng)和算法框圖

  六軸機械臂Simulink軟件仿真圖

  六軸機械臂硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  六軸機械臂快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)

  上位機軟件：

  帶關(guān)節(jié)力傳感器六軸機械臂系統(tǒng)（力控版）

  機械臂關(guān)節(jié)內(nèi)均內(nèi)置扭矩傳感器，可實時反饋高質(zhì)量扭矩信號，并進行扭矩控制。扭矩信號、每個關(guān)節(jié)的電流和角度信號均可在機械臂的控制器中（可使用Simulink圖形化開發(fā)）進行采集和配套的監(jiān)控軟件進行顯示，研究人員可以進行機械臂相關(guān)高級科學(xué)研究：

  機器人動力學(xué)建模：根據(jù)高級開源六軸協(xié)作臂的CAD參數(shù)對機械臂進行DH參數(shù)建模，并獲取動力學(xué)參數(shù)，根據(jù)牛頓-歐拉法、拉格朗日法等進行動力學(xué)建模，然后進行動力學(xué)正逆解運算，在高級開源六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)上進行驗證；

  阻抗控制：調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器的位置和接觸力之間的動態(tài)關(guān)系來實現(xiàn)柔順控制，滿足裝配、打磨、擦洗、接觸性的檢測如機械臂帶超聲波探頭進行B超檢測等的應(yīng)用需求；

  力/位混合控制：基于將末端執(zhí)行器的坐標(biāo)空間按其是否被環(huán)境約束而分為位置子空間和力子空間，力/位置控制方法通過控制末端執(zhí)行器在位置子空間的位置和在力子空間的力來實現(xiàn)順應(yīng)控制；

  碰撞保護：能達到5~10N靈敏度的外部力的碰撞保護，確保安全性；

  拖動示教：采用各關(guān)節(jié)的扭矩信號，能更加靈敏地實現(xiàn)拖動示教功能；

  精確測量負(fù)載，作為重力補償，提升動力學(xué)控制的性能；

  進行深入的機械臂動力學(xué)參數(shù)辨識的研究。

  典型應(yīng)用

  接觸性的檢測如機械臂帶超聲波探頭進行人體B超檢測的應(yīng)用需求；

  光學(xué)零件等精密打磨；

  精密裝配：如內(nèi)存條和CPU在電腦主板的裝配、手機屏幕裝配、自動按壓裝配防護膜等；

  拋光：精密零部件的表面拋光等；

  其它典型應(yīng)用：精密貴重產(chǎn)品表面的擦洗、試管液體的分液（扭矩傳感器能測量被抓物體的質(zhì)量，從而測量分液的質(zhì)量）。

  II.開源七軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)

  產(chǎn)品概述

  開源七軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)（型號：ROCR7-II）是為了適應(yīng)日益復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用，真實還原人類手臂，最新推出的一款開源機械臂系統(tǒng)。該系統(tǒng)由七軸機械臂本體、控制系統(tǒng)、上位機軟件和穩(wěn)壓電源組成。每個機械臂關(guān)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(qū)動器組成?？刂葡到y(tǒng)是基于AM437x RT-Linux設(shè)計。機械臂系統(tǒng)使用完全自主研發(fā)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器及運動控制器，為教學(xué)和科研提供優(yōu)越的開放性支撐。

  系統(tǒng)控制算法代碼開源，提供豐富的運動學(xué)、動力學(xué)控制實驗以及伺服電機控制實驗案例，如正逆運動學(xué)實驗、軌跡規(guī)劃實驗、關(guān)節(jié)PID動力學(xué)算法實驗、單關(guān)節(jié)自適應(yīng)控制算法實驗以及零力拖動實驗等。除此之外，因七軸機械臂本身的特點，該系統(tǒng)還支持進行奇異點躲避、關(guān)節(jié)速度均勻分配、障礙躲避（在不改變末端機構(gòu)位置的情況下改變末端機構(gòu)姿態(tài)）、關(guān)節(jié)力矩分配（靜力平衡）、運動學(xué)及動力學(xué)容錯等復(fù)雜場景的應(yīng)用研究。

  該系統(tǒng)可以支撐相關(guān)專業(yè)和課程的運動學(xué)、動力學(xué)及伺服驅(qū)動算法、多軸串/并聯(lián)機器人動力學(xué)建模與控制的科研工作。

  開源七軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)

  產(chǎn)品特點

  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機械諧振分析的控制實驗等；

  伺服性能優(yōu)良，重復(fù)定位精度高，機械臂模塊化設(shè)計，易于安裝，人機交互友好，使用便捷；

   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；

  控制系統(tǒng)采用工業(yè)EtherCAT總線通信，可支持其他工業(yè)機械臂本體的控制；

  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、EtherCAT總線通訊等運動控制算法。

  機械臂尺寸

  開源七軸協(xié)作機械臂尺寸

  設(shè)計框圖