產(chǎn)品概述

       按摩理療機(jī)器人是由理療部件、開源六軸機(jī)械臂、六維力傳感器、3D 視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機(jī)和穩(wěn)壓電源等組成，能實(shí)現(xiàn)掃描人體部位，進(jìn)行按摩理療和康復(fù)治療并能控制力度的功能。

       該機(jī)器人系統(tǒng)使用全自主研發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，為教學(xué)和科研提供優(yōu)越的開放性支撐。系統(tǒng)控制算法和代碼開源，提供豐富的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)控制實(shí)驗(yàn)以及伺服電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)案例，如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制正逆解實(shí)驗(yàn)、笛卡爾空間軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)、機(jī)

械臂關(guān)節(jié)零力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械臂關(guān)節(jié)自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)、碰撞保護(hù)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)等。該系統(tǒng)既可以作為自動(dòng)化、機(jī)器人、機(jī)械電子、智能制造等專業(yè)中《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》、《機(jī)器人控制技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《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)平臺(tái)，也可作為支撐相關(guān)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及伺服驅(qū)動(dòng)算法研究的科研平臺(tái)。

產(chǎn)品特點(diǎn)

（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)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及控制、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及控制等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及科研領(lǐng)域的算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和打磨等高級(jí)應(yīng)用的控制實(shí)驗(yàn)等。

（2）控制器提供 EtherCAT 或 CAN 總線通訊接口可供選型，控制周期可以到 1ms。采用 Matlab/Simulink 軟件進(jìn)行編程，可以更好更快地研究高級(jí)自動(dòng)控制算法。

（3）單關(guān)節(jié)模組伺服驅(qū)動(dòng)器自主開發(fā)，性能優(yōu)異，開放電流、速度、位置三環(huán)控制，支撐高級(jí)動(dòng)力學(xué)算法研究。

（4）提供豐富的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)控制案例，提供 Simulink 的軟件仿真程序和實(shí)驗(yàn)，方便地掌握機(jī)械臂控制系統(tǒng)的技術(shù)，進(jìn)行更深入的研究。

（5）可進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)、柔順控制、拖動(dòng)示教、碰撞保護(hù)等高級(jí)動(dòng)力學(xué)算法和機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。二、 平臺(tái)硬件組成及參數(shù)機(jī)器人主要硬件如下圖所示。

按摩理療部件

       按摩理療部件由針式按摩頭、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電熱絲等組成，具有振動(dòng)、加熱、微電流等功能，可用于人體眾多部位的按摩理療。

六軸機(jī)械臂 Simulink 軟件仿真圖

3D 視覺系統(tǒng)

       由英特爾的 RealSense D435 深度相機(jī)、視覺標(biāo)定板等構(gòu)成，標(biāo)定好后，用于識(shí)別待按摩和理療的部位，并把位置信息反

饋給機(jī)械臂。

力傳感器

       結(jié)合按摩理療和康復(fù)治療的需求，安裝對(duì)應(yīng)的力傳感器，讓機(jī)器人末端執(zhí)行器在笛卡爾空間內(nèi)的每個(gè)方向上都體現(xiàn)彈簧-阻尼-質(zhì)量組成的二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的柔順控制，原理和圖片如下所示：

開源控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)基于四核 ARM Cortex-A55 架構(gòu)的 RK3568 處理器和 MATLAB/Simulink 開發(fā)。擁有 AD、IO、CAN、EtherCAT、Ethernet 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?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示，控制系統(tǒng)參數(shù)如表3所示，是可對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)的控制與半實(shí)物仿真領(lǐng)域的產(chǎn)品。

平臺(tái)軟件組成

視覺識(shí)別軟件

深度相機(jī)安裝在機(jī)械臂的末端，識(shí)別按摩理療和康復(fù)治療部位，獲得目標(biāo)軌跡信息：

系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）控制系統(tǒng)采用 ROS 通訊架構(gòu)，通用靈活，易擴(kuò)展，各子模塊均提供 ROS 接口

（2）可以靈活調(diào)整相機(jī)的安裝方式，滿足 Eye-to-hand 和 Eye-in-hand 的使用需求

（3）控制系統(tǒng)可以快速匹配不同的相機(jī)安裝方式進(jìn)行手眼標(biāo)定和控制

（4）使用 OpenCV 進(jìn)行開發(fā)，提供開源的圖像處理算法和應(yīng)用案例

（5）在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可以協(xié)助客戶搭建開發(fā)各種場(chǎng)景的視覺抓取應(yīng)用

軌跡生成軟件

       3D 視覺識(shí)別出待按摩理療和康復(fù)治療的部位，結(jié)合事先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算軌跡，然后把軌跡發(fā)給機(jī)械臂控制器，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的軌跡運(yùn)動(dòng)：

       在機(jī)械臂的笛卡爾空間軌跡規(guī)劃中，中間點(diǎn)即插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過插補(bǔ)算法得到。得到中間點(diǎn)后，在把中間點(diǎn)的位姿轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的關(guān)節(jié)角，再通過對(duì)關(guān)節(jié)角的控制，使得機(jī)械臂的末端能按照預(yù)先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂的笛卡爾空間軌跡規(guī)劃位姿控制過程大致如下所示：

高級(jí)動(dòng)力學(xué)控制

       機(jī)器人有一個(gè)基本的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，力傳感器獲得機(jī)器人對(duì)接結(jié)構(gòu)間的作用力，根據(jù)力控策略，可以通過機(jī)器人動(dòng)力學(xué)獲得疊加后運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)力矩，直接在關(guān)節(jié)力矩環(huán)加以前饋，使關(guān)節(jié)產(chǎn)生期望的力矩，帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，并檢測(cè)末端力、關(guān)節(jié)位置、速度、力矩信號(hào)，反饋給相應(yīng)的控制單元，從而完成完整的柔順控制過程。

監(jiān)控軟件

        提供一整套的上位機(jī)總控軟件，能夠?qū)C(jī)械臂等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，能實(shí)現(xiàn) 18 通道的參數(shù)采集和顯示、控制參數(shù)實(shí)時(shí)在線修改，設(shè)定機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡等，進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一覽

支撐的教學(xué)科研