开源按摩理疗机器人
发布日期：2023-09-18 浏览次数：2367
产品概述
按摩理疗机器人是由理疗部件、开源六轴机械臂、六维力传感器、3D 视觉系统、控制系统、上位机和稳压电源等组成，能实现扫描人体部位，进行按摩理疗和康复治疗并能控制力度的功能。
该机器人系统使用全自主研发的运动控制系统，为教学和科研提供优越的开放性支撑。系统控制算法和代码开源，提供丰富的运动学、动力学控制实验以及伺服电机控制实验案例，如机械臂运动控制正逆解实验、笛卡尔空间轨迹规划实验、机
械臂关节零力拖动实验、机械臂关节自适应控制实验、碰撞保护实验、动力学参数辨识实验等。该系统既可以作为自动化、机器人、机械电子、智能制造等专业中《机器人学导论》、《机器人控制技术》、《计算机控制技术》、《电机与伺服控制》、《机器人机电一体化技术》等课程的配套实验平台，也可作为支撑相关领域的运动学、动力学及伺服驱动算法研究的科研平台。
产品特点
（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、机器人运动学及控制、机器人动力学及控制等教学实验，以及科研领域的算法验证实验和打磨等高级应用的控制实验等。
（2）控制器提供 EtherCAT 或 CAN 总线通讯接口可供选型，控制周期可以到 1ms。采用 Matlab/Simulink 软件进行编程，可以更好更快地研究高级自动控制算法。
（3）单关节模组伺服驱动器自主开发，性能优异，开放电流、速度、位置三环控制，支撑高级动力学算法研究。
（4）提供丰富的机械臂运动学、动力学控制案例，提供 Simulink 的软件仿真程序和实验，方便地掌握机械臂控制系统的技术，进行更深入的研究。
（5）可进行参数辨识、柔顺控制、拖动示教、碰撞保护等高级动力学算法和机器人关键技术的开发。二、 平台硬件组成及参数机器人主要硬件如下图所示。
按摩理疗部件
按摩理疗部件由针式按摩头、电机、传动机构、电热丝等组成，具有振动、加热、微电流等功能，可用于人体众多部位的按摩理疗。
六轴机械臂 Simulink 软件仿真图
3D 视觉系统
由英特尔的 RealSense D435 深度相机、视觉标定板等构成，标定好后，用于识别待按摩和理疗的部位，并把位置信息反
馈给机械臂。
力传感器
结合按摩理疗和康复治疗的需求，安装对应的力传感器，让机器人末端执行器在笛卡尔空间内的每个方向上都体现弹簧-阻尼-质量组成的二阶系统的动态特性，实现机械臂的柔顺控制，原理和图片如下所示：
开源控制系统
控制系统基于四核 ARM Cortex-A55 架构的 RK3568 处理器和 MATLAB/Simulink 开发。拥有 AD、IO、CAN、EtherCAT、Ethernet 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。控制系统如下图所示，控制系统参数如表3所示，是可对标国际先进的控制与半实物仿真领域的产品。
平台软件组成
视觉识别软件
深度相机安装在机械臂的末端，识别按摩理疗和康复治疗部位，获得目标轨迹信息：
系统特点
（1）控制系统采用 ROS 通讯架构，通用灵活，易扩展，各子模块均提供 ROS 接口
（2）可以灵活调整相机的安装方式，满足 Eye-to-hand 和 Eye-in-hand 的使用需求
（3）控制系统可以快速匹配不同的相机安装方式进行手眼标定和控制
（4）使用 OpenCV 进行开发，提供开源的图像处理算法和应用案例
（5）在该平台的基础上，可以协助客户搭建开发各种场景的视觉抓取应用
轨迹生成软件
3D 视觉识别出待按摩理疗和康复治疗的部位，结合事先存储的数据库，计算轨迹，然后把轨迹发给机械臂控制器，执行对应的轨迹运动：
在机械臂的笛卡尔空间轨迹规划中，中间点即插补点的坐标可以通过插补算法得到。得到中间点后，在把中间点的位姿转换成相应的关节角，再通过对关节角的控制，使得机械臂的末端能按照预先规划的路径运动。机械臂的笛卡尔空间轨迹规划位姿控制过程大致如下所示：
高级动力学控制
机器人有一个基本的规划运动，力传感器获得机器人对接结构间的作用力，根据力控策略，可以通过机器人动力学获得叠加后运动所对应的各关节力矩，直接在关节力矩环加以前馈，使关节产生期望的力矩，带动机械臂运动，并检测末端力、关节位置、速度、力矩信号，反馈给相应的控制单元，从而完成完整的柔顺控制过程。
监控软件
提供一整套的上位机总控软件，能够对机械臂等进行监测与控制，能实现 18 通道的参数采集和显示、控制参数实时在线修改，设定机械臂的运动轨迹等，进行自动化运动控制。
实验内容一览
支撑的教学科研
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