產(chǎn)品概述

       剛?cè)狁詈侠K索臂式機(jī)器人主要由計(jì)算機(jī)、機(jī)器人本體、CSPACE 控制與半實(shí)物仿真系統(tǒng)、深度相機(jī)（RealSense D435）構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)從 Matlab/Simulink 仿真模型到嵌入式控制原型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，控制器通過 CAN 總線高效穩(wěn)定控制各個(gè)伺服關(guān)節(jié)，并且可以通過在線調(diào)參來測(cè)試機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制性能。抓取功能方面，通過在機(jī)械臂末端搭載柔性夾爪和深度學(xué)習(xí)視覺平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的識(shí)別、引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行定位和抓取。

       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)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)、機(jī)械臂的笛卡爾空間軌跡規(guī)劃實(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)》、《伺服電機(jī)及控制》等課程的配套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也可作為支撐柔性機(jī)器人、特種機(jī)器人、機(jī)器人高級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法研究的科研平臺(tái)。

平臺(tái)硬件

線驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)械臂介紹

機(jī)械臂本體

       如圖 1 所示，機(jī)械臂由肩、肘、腕三個(gè)關(guān)節(jié)組成。其中肩關(guān)節(jié)為機(jī)器人關(guān)節(jié)模組，有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；肘關(guān)節(jié)采用一種滑輪組形式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；腕關(guān)節(jié)采用一種線驅(qū)動(dòng)的四元數(shù)關(guān)節(jié)，有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于將線驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與機(jī)器人關(guān)節(jié)模組相結(jié)合，形成一種新的仿人機(jī)械臂形式。本設(shè)計(jì)吸收了線驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂低摩擦、低慣量的優(yōu)點(diǎn)，降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和重量，同時(shí)，肩部的兩個(gè)關(guān)節(jié)模組也可替換為三自由度關(guān)節(jié)模組，與四自由度線驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂結(jié)合，組成七自由度冗余機(jī)械臂。

機(jī)械臂材料

       為實(shí)現(xiàn)良好的人 - 機(jī)器人交互性能，選擇光敏樹脂、尼龍、A5052 鋁鎂合金、304 不銹鋼以及鋁合金等作為機(jī)械臂各部分的加工材料，通過 3D 打印與機(jī)械加工技術(shù)完成零部件的制造，線驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)械臂具有輕量化的特點(diǎn)，具有較好的強(qiáng)度、剛度、密度、成本、穩(wěn)定性。

機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)尺寸

      線驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖 2 所示。其中，夾爪的長(zhǎng)度為 225 mm，腕關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度為 99 mm，小臂的長(zhǎng)度為323 mm，肘關(guān)節(jié)的連接桿長(zhǎng)度為 98 mm，大臂的長(zhǎng)度為 492.8 mm，肩關(guān)節(jié)第一軸與第二軸的偏置距離為 122.5 mm，基座頂端到肩關(guān)節(jié)第一軸的距離為 121.5 mm。

控制系統(tǒng)

       控制系統(tǒng)基于 TMS320F28335 DSP 和 MATLAB/Simulink 開發(fā)。擁有 AD、IO、CAN、SCI、SPI 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。控制系統(tǒng)如圖3所示，控制系統(tǒng)參數(shù)如表1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。

控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

視覺系統(tǒng)

       深度學(xué)習(xí)視覺平臺(tái)主要有由英特爾的 RealSense D435 深度相機(jī)、視覺標(biāo)定板等構(gòu)成。標(biāo)定好后可用于作業(yè)區(qū)域，并把位置信息反饋給機(jī)械臂的控制系統(tǒng)。RealSense D435 深度相機(jī)參數(shù)如下表所示。提供視覺全部源碼，方便客戶進(jìn)行二次開發(fā)。

平臺(tái)軟件組成

視覺識(shí)別軟件

       通過在機(jī)械臂上搭載柔性夾爪和深度學(xué)習(xí)視覺平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的識(shí)別、定位，同時(shí)結(jié)合機(jī)械臂控制器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的抓取。

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。

軌跡規(guī)劃軟件

視覺系統(tǒng)識(shí)別出目標(biāo)位置信息，結(jié)合事先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，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：

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