开源桌面型直驱SCARA机器人

发布日期：2021-04-27 浏览次数：4307

产品概述

为更好地赋能机器人的教学、科研和产业化，公司推出自主研发的开源桌面型直驱SCARA系统，其核心运动控制系统和伺服驱动器全自主开发，控制软件和算法都可开源。系统是由四轴机械臂本体、伺服驱动器、控制系统、上位机和稳压电源组成。该产品是目前市场上唯一提供机器人运动控制、交流伺服驱动器都开源的教学、科研产品。机器人控制系统采用国际上先进的基于模型设计（MBD：Model-Based Design）的设计方法，软硬件基于MATLAB/Simulink 和TI TMS320F28335 DSP 芯片架构进行开发。伺服驱动器同样采用基于模型设计的设计方法，在MATLAB/Simulink中实现交流伺服电机的电流（FOC磁场定向控制）、速度、位置三闭环（PID）的驱动控制算法。高校老师和学生能够验证SCARA机器人多自由度运动控制算法、轨迹规划算法等，并能开发高级的动力学算法，还可以在该产品上开发各种机器人场景应用。

图1开源桌面型直驱SCARA机器人系统

该平台有以下几大特色：

1.开源成熟工业机械臂产品为实验载体，支撑机器人建模仿真、机器人学、机器人控制、机器人动力学等教学实验，以及科研领域的算法验证实验和振动分析的控制实验等；

2.运动关节不含减速器，伺服驱动器直接驱动电机进行运动控制，控制器内置，结构紧凑轻巧；

3.重复定位精度30μm，伺服误差±1脉冲；

4.控制系统采用MATLAB/Simulink软件进行编程，用户可以更好更便捷地研究控制算法，并可支撑更高级的控制算法验证。

5.控制系统采用双CAN总线通讯，控制周期可以短到1ms。

6.提供交流伺服驱动器的电流、速度、位置三闭环的伺服控制方法、以及梯形加减速、CAN总线通讯等运动控制算法。

7.支撑零力拖动等高级动力学算法和机器人关键技术开发。

该产品提供丰富的运动学和动力学实验案例，如正逆运动学分析实验、正逆解控制实验、轨迹规划实验、单关节PID实验、单关节PID摩擦力补偿实验、双关节PID实验、双关节PID摩擦力补偿实验、零力拖动等。该系统既可以作为电气自动化专业、机器人工程专业、机械自动化专业、智能制造专业、自动控制专业中相关如《机器人学导论》、《机器人控制技术》、《机械设计基础》、《嵌入式控制系统及应用》、《电机与伺服控制》、《机器人机电一体化技术》等课程的配套实验实践平台，也同时支撑相关专业和课程的运动学、动力学及伺服驱动算法的科研平台。

实验平台组成

开源SCARA机器人系统主要分为控制系统和SCARA本体两部分。

控制系统

SCARA本体

由主控计算机和实时控制器（cSPACE）两部分组成。控制程序支持在Matlab/Simulink中编写、自动生成代码、自动编译下载到控制器中和运行。上位机和控制器之间采用串口通信。

由桌面直驱SCARA构成。

桌面型SCARA本体

桌面型SCARA机器人本体外观如下图所示。

图2 SCARA本体外观

本体结构参数如下：

图3 SCARA本体结构尺寸

本体性能指标

本体规格
基本信息	1轴		臂长	160mm
			旋转角度	±90°
	2轴		臂长	160mm
			旋转角度	±143°
	Z轴		行程	160mm
	R轴		旋转范围	±1080°
重复定位精度				±0.02mm
标准负载				0.5kg
最大负载				1kg
自由度				4
末端夹爪				支持
电源				24V DC
整机高度				490mm
底座安装尺寸		底座外形尺寸		200mm200mm8mm
		底座固定孔位间距		160mm160mm 配4个M512螺丝

开源桌面型直驱SCARA机器人控制系统

SCARA控制系统是基于TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink开发。拥有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等丰富的硬件外设接口，以及一套功能强大的监控软件。结合计算机仿真和嵌入式实时控制技术，能实现硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）设计的功能，也是用于进行基于模型设计（MBD：Model-Based Design）控制系统开发的教学和科研产品。控制器如下图所示，是可对标国际先进的控制与半实物仿真领域的产品。

控制器结构外观

图4桌面直驱SCARA机器人控制器

控制器性能参数

处理器	主处理器：TMS320F28335 DSP 32位浮点数字信号处理器；CPU时钟：150MHz
视觉位置信号接口	可以通过RS232或485接口采集视觉处理后的目标位置信号
输入	IO输入输出：3通道
输出（特定型号才具备，需要与公司沟通）	D/A转换器：4通道16 bit；输出范围：-10~10V；转换时间：10us
编码器（特定型号才具备，需要与公司沟通）	数字增量编码器接口：2个独立通道电平：TTL或者RS422输入，计数器位数：32-bit；最大输入频率20 MHz；
通讯接口	串行接口 1路TTL 电平的SCI接口、1路485接口 CAN接口（CAN 2.0B标准）
物理参数	工作温度：0~55℃ （典型值）

控制器通用接口

Robot Interface	机械臂接口（含电源线，双CAN通信线）
Gripper	夹爪接口
接口端子	CAN-A	用于控制机械臂的部分关节
	CAN-B	用于控制机械臂的部分关节
	GPIO	用于扩展其他自定义功能
	RS232	用于控制自定义的设备
	RS485	用于控制自定义的外设
SCI	与上位机通信接口
Controler Reset	机械臂控制器复位按钮
Control Power	控制器电源接口
JTAG	JTAG接口,用于仿真和烧写DSP
Emergncy Switch	紧急制动开关
Robot Power	24V电源接口

2.2驱动器结构外观

图5 驱动器外观

驱动器性能参数

处理器	主处理器：TMS320F28069 DSP 32位浮点数字信号处理器；CPU时钟：90MHz
供电电压	22V-28VDC
输出相电流	持续电流 5A，峰值10A（外加散热器）
控制方式	CAN总线通讯，支持位置、速度和力矩模式
适配电机	50W-300W 低压交流伺服电机、直流无刷电机、伺服轮毂电机
通讯方式	CAN总线（默认）、RS232
一路独立编码器	多圈20位尼康绝对值编码器
制动电阻	支持。开关电源的应用场景，可以外接制动电阻，保护控制器。
冷却方式	自然冷却或外加散热器
防护等级	IP20（驱动板）
使用场合	尽量避免粉尘、油雾及腐蚀性气体
工作温度	-10℃-50℃
保存温度	-20℃－+80℃
工作湿度	40－90%RH

驱动器通用接口

功能	备注
程序下载口	参考驱动器接线定义文档
RS232接口
编码器电池接口
编码器接口
CAN通讯接口
电源及电机相线接口
对外输出24V电源

3上位机软件

功能丰富的上位机软件，可实时控制机械臂本体，实时显示机械臂位姿，曲线显示，数据下发，数据保存，位置点表循环运行等功能。

图6 桌面型SCARA机器人上位机软件

4 SCARA仿真与控制

图7 桌面型SCARA仿真

图8 桌面型SCARA机械臂Simulink工具箱

图9桌面型SACRA运动学控制模型

实验内容

列表所列实验内容为可以在本平台完成的所有实验列表，所有实验程序均在Matlab/Simulink软件中编写，所有程序源代码均开放，用户可以自由修改，实验均配有演示视频。

实验类型	实验内容	实验目的
桌面型SCARA平台基础实验	桌面型SCARA机器人平台认知实验	1，熟悉桌面型SCARA机器人驱控开发平台的搭建顺序 2，掌握桌面型SCARA机器人驱控开发平台的基本操作 3，熟悉桌面型SCARA机器人驱控开发平台的上位机控制界面
桌面型SCARA平台基础实验	桌面型SCARA机器人单关节CAN通信实验	4，熟悉机械臂系统的上电顺序 5，熟悉机械臂上位机控制界面 6，熟悉CAN总线通讯指令
桌面型SCARA运动学实验	桌面型SCARA机器人坐标系和DH设定实验	7，熟悉并掌握标准DH和改进DH参数的设定 8，熟悉并掌握标准DH和改进DH参数设定的区别 9，熟悉并掌握桌面型SCARA机器人DH参数设定坐标系
	桌面型SCARA机器人正运动学分析实验	10，熟悉并掌握机器人正运动学的原理 11，熟悉并掌握机器人正运动的代码编写和校验 12，熟悉并掌握机器人工具箱有哪些常用的相关函数及其功能 13，熟悉并掌握通过正运动求解末端位姿的齐次变换矩阵 14，熟悉并掌握MATLAB的符号运算
	桌面型SCARA机器人逆运动学分析实验	15，熟悉并掌握机器人逆运动学的原理 16，熟悉并掌握机器人逆运动的M代码编写和仿真校验 17，熟悉并掌握机器人工具箱有哪些常用的相关函数及其功能 18，熟悉并掌握通过正运动求解末端位姿的齐次变换矩阵
	桌面型SCARA机器人平台示教演示点灯实验	19，熟悉桌面型SCARA机器人平台 20，熟悉并掌握如何通过机械臂上位机进行示教点灯。
桌面型SCARA动力学实验	桌面型SCARA机器人臂1动力学PID实验	21，熟悉并掌握如何通过Simulink配置控制器的编译条件 22，熟悉并掌握如何通过Simulink搭建单关节动力学控制程序 23，熟悉并掌握如何使用机器人上位机控制界面控制机械臂 24，熟悉PID控制原理 25，熟悉实验平台动力学单关节控制实验过程
桌面型SCARA动力学实验	桌面型SCARA机器人臂1，臂2动力学PID实验	26，熟悉并掌握如何通过Simulink配置控制器的编译条件 27，熟悉并掌握如何通过Simulink搭建双关节动力学控制程序 28，熟悉并掌握如何使用机器人上位机控制界面控制机械臂 29，熟悉桌面型SCARA机器人动力学双关节控制实验过程

本科和研究生教学课程：

1. 机器人学

2. 机器人建模与仿真

3. 计算机控制技术

典型教材推荐：

《机械工程控制基础》华中科大杨叔子院士

《机器人学导论（第四版）》美国斯坦福大学John.J.Craig 教授

《机器人控制技术》陈万米，上海大学教授，博士

《计算机控制技术（第四版）》顾德英，东北大学，教授，硕导

《机器人技术基础》熊有伦华中科技大学教授博导，科学院院士

《MATLAB建模与仿真》哈尔滨理工大学副教授，硕导

支撑科研方向：

1.机械臂高精度轨迹跟踪控制算法研究

2.动力学参数辨识

3.碰撞检测保护

4.拖动示教

5.路径规划和轨迹规划

四应用案例

客户单位	研究方向
哈工大机器人（深圳）研究院	直驱SCARA轨迹规划研究
合肥工业大学	动力学控制研究
西安工程大学	动力学参数辨识及前馈控制研究
湖南大学	碰撞检测与阻抗控制

实验演示视频

实验1. 桌面型SCARA机器人运动学控制实验

实验2. 桌面型SCARA机器人动力学PID控制实验

实验3. 桌面型SCARA机器人系统抓取实验