XYZ型机器人系统

2021-04-27

一、产品概述

为更好地赋能机电一体化、运动控制、伺服驱动、机器人技术的教学和研究，我司采用市场上量产的XYZ三轴点胶平台作为控制对象，采用自主的交流伺服电机驱动器、运动控制器，研发出XYZ型机器人系统产品，提供给本科教学和科研使用。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。采用基于模型设计（MBD）工程开发方法实现XYZ型机器人系统运动控制算法开发与应用，提供丰富的控制案例程序，配套有上位机监控软件，可实时修改控制参数、监控系统平台的参数，不仅方便教学，还能为深层次的XYZ机器人系统科研提供平台。

图4XYZ机器人系统

该平台有以下几大特色：

1、工业化产品：来源于点胶、锁螺丝、焊接等工业应用，不是简单的教具，可以应用于工业；

2、开放性：伺服驱动器、运动控制器底层开源，充分掌握伺服驱动、运动控制核心技术，一个平台，可以满足打通本科教学、研究生和老师的科研、工程项目应用，充分提高设备的价值；

3、开发便捷：可采用C语言、采用基于模型设计（MBD）方法在Simulink中进行驱动和控制的程序开发，快速入门、系统地掌握、便捷地验证自主算法；

4、模块化设计：机械结构、直线运动单元、点胶单元、伺服驱动、运动控制器、控制软件等符合教学、科研的设计，便于教学和组合创新；

5、配套齐全：提供详细的实验指导书、电气原理图、主要的机械图、软件，由浅入深，容易掌握；

6、本科教学：提供伺服电机、运动控制、机电一体化、机器人、CAN总线通讯等本科教学实验；

7、工程项目和科学研究：进行重力补偿、摩擦力补偿等高级动力学、精密运动控制算法的科研，充分利用该平台，满足研究生和教师科学研究和采用该平台进行工程项目研究的需求；

8、高级视觉开发：可搭配视觉检测、标定等人工智能开发套件，支撑人工智能的研究。

该系统既可以作为自动化、机器人、机械电子、智能制造、机械工程等专业中的《机器人学》、《机器人建模与仿真》、《机器人控制技术》、《计算机控制技术》、《伺服电机及控制》、《机电一体化技术》、《机器人操作系统》、《运动控制系统》等课程的配套实验平台，也同时支撑相关领域的运动学、动力学及伺服驱动算法的科研。

二、实验平台硬件组成

01 机器人本体

XYZ机器人系统平台包括本体一台，其中本体内部包含控制器1个、伺服驱动器3个、伺服电机3个以及开关电源等，实现前后直线运动的为X轴，实现左右直线运动的横线为Y轴，实现上下直线运动的为Z轴；其运动速度快、功能强大，有效载荷为5Kg。具备经济实惠、即插即用、编程简单直观、高精度、高安全性等特点，适用于各类轻型装配场合。

表1 XYZ机器人系统本体规格

本体规格
有效载荷	5Kg
本体重量	60Kg
重复精度	±0.02mm
移动速度	200mm/s
X轴有效行程	300mm
Y轴有效行程	300mm
Z轴有效行程	100mm
驱动方式	伺服电机+同步带+直线导轨
电源	AC220V

机器人本体结构尺寸如图2所示。

图2XYZ机器人系统实物及机械尺寸

02 机器人控制器

机器人控制器具有Simulink自动代码生成功能，拥有以上所示较丰富的硬件外设接口，以及一套功能强的监控软件。通过Matlab/Simulink对机器人控制算法进行仿真，对仿真好的控制算法，将输入、输出接口替换为控制器的Simulink的输入输出模块，编译整个模块就能自动生成DSP代码，在控制器上运行后就能生成该控制算法相应的控制信号，从而方便地实现对被控对象的控制。运行过程中通过监控软件，可实时修改控制参数，并以图形方式实时显示控制结果；采集的数据可以保存到磁盘，研究人员可利用MATLAB对这些数据进行离线处理。是搭建机器人电控系统、快速验证算法、发表论文和完成科研项目开发的控制系统开发平台。

图3 控制器

表2 控制器技术参数

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 2.0A标准）
物理参数	工作温度：0~55℃（典型值）

03 伺服驱动器

图4 伺服驱动器

表3 伺服驱动器主要性能参数

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-60VDC
输出相电流	持续电流15A，峰值30A（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	100W-800W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	单圈17位绝对值RS485+AB
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

MBD开发流程

运动学Simulink控制框图

上位机监控软件

三、实验内容一览

列表4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，可以自由修改，实验均配有演示视频。

表4 实验项目

实验类型	实验内容	实验目的
运动控制实验	平台认知实验	熟悉并掌握平台基本构造和上位机控制界面操作
	单轴CAN实验	熟悉XYZ机器人机电系统CAN通讯指令和操作并能够单独控制各轴
	三轴运动控制（PTP）实验	熟悉并掌握如何通过Simulink 搭建点到点（PTP）控制程序
	两轴插补（PT）运动控制实验	熟悉并掌握如何通过Simulink 搭建两轴插补（PT）控制程序
	工业应用场景（点胶）实验	掌握平台机电系统点胶工作原理，充分熟悉并掌握平台机电系统进行综合性开放实验

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、现代控制理论

4、机器人操作系统

5、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

《现代控制理论》王宏华河海大学教授，博士

《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、多自由度运动平台控制系统设计

2、三轴运动平台精密轮廓控制研究

3、三轴运动平台高速运动控制规划研究

4、XYZ三轴机器人平台运动轨迹的迭代控制

5、XYZ三轴机器人平台曲面力控制轮廓跟随研究

6、基于机器视觉的三轴运动平台高速定位控制

四、基础实验演示视频

实验1.单轴伺服CAN总线控制实验

实验2.三轴运动控制（PTP）实验

实验3.两轴插补（PT）运动控制实验

实验4.工业应用场景（点胶）实验

五、主要性能参数

设备名称	主要技术参考指标
控制器	主处理器：TMS320F28335 DSP 主频：150M Hz 接口：2路CAN 1路RS232接口3路IO口1路SCI接口软件：支持Simulink和C语言开发，Simulink软件能自动生成C语言代码提供监控软件，能实现数据的采集、保存、参数的在线修改
驱动器	22V-60VDC，持续电流10A，峰值20A，CAN总线通讯，支持位置、速度和力矩模式，支持低压交流伺服电机、直流无刷电机、伺服轮毂电机的驱动
交流伺服电机	额定电压：48V 额定功率：400W 额定转速：3000rpm 多圈绝对值编码器：17位
X轴	有效行程：300mm，分辨率：0.025mm
Y轴	有效行程：300mm，分辨率：0.025mm
Z轴	有效行程：100mm，分辨率：0.025mm
其它模块	电源模块、USB数据线，串口芯片模块
驱动方式	伺服电机+同步带+直线导轨
点胶模块	根据实际情况配好点胶套件