开源高精度工匠机器人系统
2021-04-27
一、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高精度工匠机器人系统，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开源高精度工匠机器人系统
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.重复定位精度30μm，伺服误差±1脉冲；
3.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。
4.控制系统采用双CAN总线通讯，控制周期可以短到1ms。
5.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。
6.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》、《机器人操作系统》 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。
二实验平台组成
开源SCARA机器人系统主要分为控制系统和SCARA本体两部分。
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控制系统 |
SCARA本体 |
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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。 |
由高精度工匠机器人或轻便型桌面直驱SCARA构成。
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01 SCARA本体
高精度工匠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：
本体性能指标
|
本体规格 |
|
|
有效载荷 |
2kg |
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本体重量 |
16kg |
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工作半径 |
600mm |
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控制自由度 |
4 |
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重复精度 |
±0.01mm |
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自由度参数 |
|
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轴 |
关节范围 |
|
升降关节 |
120mm |
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摆臂关节一 |
±115° |
|
摆臂关节二 |
±135° |
|
末端关节 |
±360° |
电机本体参数
Z轴和大小臂电机
|
电机性能参数 |
单位 |
数值 |
|
输出功率 |
W |
400 |
|
极数 |
|
8 |
|
额定电压 |
V |
48 |
|
额定转速 |
rpm |
3000 |
|
最高转速 |
rpm |
5000 |
|
额定转矩 |
N.m |
1.2 |
|
瞬时最大转矩 |
N.m |
4.4 |
|
额定电流 |
A |
10 |
|
瞬时最大电流 |
A |
30 |
|
线反电势系数 |
mV/rpm |
15 |
|
力矩系数 |
N.m/A |
0.14 |
|
转子转动惯量 |
Kg.m2.10-4 |
1.6 |
|
线电阻 |
Ω |
0.25 |
|
线电感 |
mH |
0.55 |
|
重量 |
Kg |
1.5 |
|
反馈元件 |
多摩川17位绝对值编码器 |
|
末端电机
|
电机性能参数 |
单位 |
数值 |
|
输出功率 |
W |
250 |
|
极数 |
8 |
|
|
额定电压 |
V |
48 |
|
额定转速 |
rpm |
1500 |
|
最高转速 |
rpm |
3000 |
|
额定转矩 |
N.m |
1.59 |
|
瞬时阳大转矩 |
N.m |
4.4 |
|
额定电流 |
A |
5 |
|
瞬时最大电流 |
A |
15 |
|
线反电势系数 |
mV/rpm |
15 |
|
力矩系数 |
N.m/A |
0.29 |
|
转子转动惯量 |
Kg.m2.10-4 |
1.6 |
|
线电阻 |
Ω |
1 |
|
线电感 |
mH |
2.2 |
|
重量 |
Kg |
1.5 |
|
反馈元件 |
多摩川17位绝对值编码器 |
|
2.1控制器结构外观
图3控制器正面接口图
图4控制器背面接口图
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 |
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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； |
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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） |
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物理参数 |
工作温度：0~55℃ （典型值） |
控制器通用接口
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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 |
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|
Digital Display |
板载4位七段数码管（用于显示不同控制指令信息） |
|
|
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 |
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Emergncy Switch |
紧急制动开关 |
|
|
Robot Power |
48V电源接口 |
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2.2驱动器结构外观
图5 驱动器外观 图要更新
驱动器性能参数
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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-60VDC |
|
输出相电流 |
持续电流 15A，峰值 30A（外加散热器） |
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控制方式 |
CAN总线通讯，支持位置、速度和力矩模式 |
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适配电机 |
100W-800W 低压交流伺服电机、直流无刷电机、伺服轮毂电机 |
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通讯方式 |
CAN总线（默认）、RS232 |
|
一路独立编码器 |
单圈17位绝对值RS485+AB |
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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℃ |
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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上位机软件
4 SCARA仿真与控制
图7 SCARA仿真
图8 SCARA机械臂Simulink工具箱
图9 SACRA运动学控制模型
三、实验内容一览
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。
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实验类型 |
实验内容 |
实验目的 |
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SCARA平台基础实验 |
工匠智能机器人平台认知实验 |
1，熟悉工匠智能机器人驱控开发平台的搭建顺序 2，掌握工匠智能机器人驱控开发平台的基本操作 3，熟悉工匠智能机器人驱控开发平台的上位机控制界面 |
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工匠智能机器人单关节CAN通信实验 |
1，熟悉机械臂系统的上电顺序 2，熟悉机械臂上位机控制界面 3，熟悉CAN总线通讯指令 |
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SCARA运动学实验 |
工匠智能机器人坐标系和DH设定实验 |
1，熟悉并掌握标准DH和改进DH参数的设定 2，熟悉并掌握标准DH和改进DH参数设定的区别 3，熟悉并掌握工匠智能机器人DH参数设定坐标系 |
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工匠智能机器人正运动学分析实验 |
1，熟悉并掌握机器人正运动学的原理 2，熟悉并掌握机器人正运动的代码编写和校验 3，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 4，熟悉并掌握通过正运动求解末端位姿的齐次变换矩阵 5，熟悉并掌握MATLAB的符号运算 |
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工匠智能机器人逆运动学分析实验 |
1，熟悉并掌握机器人逆运动学的原理 2，熟悉并掌握机器人逆运动的M代码编写和仿真校验 3，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 4，熟悉并掌握通过正运动求解末端位姿的齐次变换矩阵 |
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工匠智能机器人平台示教演示点灯实验 |
1，熟悉工匠智能机器人平台 2，熟悉并掌握如何通过机械臂上位机进行示教点灯。 |
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SCARA动力学实验 |
工匠智能机器人臂1动力学PID实验 |
1，熟悉并掌握如何通过Simulink配置控制器的编译条件 2，熟悉并掌握如何通过Simulink搭建单关节动力学控制程序 3，熟悉并掌握如何使用机器人上位机控制界面控制机械臂 4，熟悉PID控制原理 5，熟悉实验平台动力学单关节控制实验过程 |
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工匠智能机器人臂1，臂2动力学PID实验 |
1，熟悉并掌握如何通过Simulink配置控制器的编译条件 2，熟悉并掌握如何通过Simulink搭建双关节动力学控制程序 3，熟悉并掌握如何使用机器人上位机控制界面控制机械臂 4，熟悉工匠智能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. 机器人操作系统
4. 计算机控制技术
典型教材推荐：
《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.柔顺控制
6.高级自动控制算法
7.路径规划和轨迹规划
四、实验演示视频
实验1.SCARA机械臂运动学控制实验
实验2.SCARA机械臂动力学PID控制实验
实验3.SCARA机械臂系统点灯控制实验
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