开源6D并联机器人系统

2021-04-27

一、平台概述

六轴（6D）并联机器人系统的本体是由六支可伸缩电动缸、上下平台以及上下各六只万向节组成，控制系统是基于MATLAB/Simulink和DSP 28335设计，采用基于模式设计（MBD:Model-Based Design）的开发方式，对并联机器人的运动进行分析、仿真和设计开发。通过六支电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（x，y，z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

系统提供伺服驱动、机器人仿真、运动学逆解等实验案例，并针对实验案例，提供相应的开源算法，满足高等院校、科研机构在传动及控制技术领域的教学科研等工作。

该系统涉及了机械、液压、电气、控制、机器人、计算机、传感器、信号处理等专业，可作为这些专业相关课程的配套教学平台之外，还可商业化后应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、动感娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接。

该系统的产品特点有：

1.机械本体部分采用工业级的电机及伺服电动缸，负载大，性能稳定，定位精度高。

2.底层伺服驱动代码开源，采用MATLAB/Simulink开发，支持用户进行电机算法研究以及二次开发

3.机器人运动学采用MATLAB/Simulink进行开发，模块化图形化编程方式，提供开源的算法及实验案例，最大程度满足高校各专业的教学科研需求。

4.系统采用MBD的设计方法，涉及分析、建模、仿真、实物控制等过程

5.配备友好的人机交互界面，可进行机器人运动控制及实时位姿反馈，并可进行其他自定义控制命令下发、数据波形显示记录等

6.机械结构上配有限位开关，提供安全保护功能

二、平台硬件组成

系统包含机械结构、电动缸、驱动系统、控制系统和上位机。

机械结构：

结构由底座、上下平台、电动缸、上下平台及上下各六只万向铰链组成。

电动缸：

电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，该电动缸以电力作为直接动力源，采用低压交流伺服电机带动丝杠旋转，并通过构件间的螺旋运动转化为丝杠的直线运动，再由丝杠带动缸筒或负载做往复直线运动。

该伺服电动缸参数如下所示：表号与表名，后不赘述

电机额定功率	400W
电机额定电压	48V
电机额定扭矩	1.27Nm
瞬时最大扭矩	3.2Nm
额定转速	3000rpm
瞬时最大转速	3200rpm
额定电流	10A
瞬时最大电流	25A
缸径	40mm
重复定位精度	±0.02mm
导程	5mm
最大推力	1280N
最快速度	250mm/s
最长行程	250mm
最大负载质量	40kg
螺杆等级	C7 1205
活塞杆旋转角度	±0.3度
最大驱动扭矩	1.8Nm
磁性开关	24V NPN 常开

驱动系统：

驱动系统由6个开关电源和6个驱动器组成，均安装于机械结构的底座的内部。

开关电源的220V输入由底座前方的“AC220V输入接口”及“AC220V急停开关”提供，开关电源的48V输出作为驱动器的电源输入。每个开关电源和驱动器独立向每个伺服电动缸提供电源。

开关电源参数

输出	输出电压	48V
	额定电流	7.3A
	额定功率	350.4W
	最大纹波噪声	200mVp-p
	电压调整范围	43.2V~52.8V
	电压精度	±1%
	线性调整率	±0.5%
	负载调整率	±0.5%
	启动、上升时间	1500ms，50ms/230VAC; 1500ms，50ms/115VAC（满载）
	保持时间	16ms/230VAC； 12ms/115VAC（满载）
输入	电压范围	90~132VAC/180~264VAC（通过开关选择） 240~370VDC（开关开启230VAC）
	频率范围	47~63Hz
	效率	89%
	交流电流	6.8A/115VAC；3.4A/230VAC
	浪涌电流	冷启动60A/115VAC；60A/230VAC
	漏电流	＜2mA/240VAC
保护	过负载	额定输出功率的110~140%
		关断输出，重启恢复
	过电压	55.2~64.8V；关断输出电压，重启恢复
	过温度	关断输出电压，重启恢复
功能	风扇控制	RTH3≥50℃开启，≤40℃关断
环境	工作温度	-25~70℃
	工作湿度	20~90%RH，无冷凝
	储存温度、湿度	-40~85℃，10~95%RH
	温度系数	±0.03%/℃（0~50℃）
	耐振动	10~500Hz，5G 10分钟/周期，X、Y、Z各60分钟
安规	安全规范	IEC/UL62368-1，BSMI CNS14336-1，EAC TP TC 004，KC
	耐压	I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG:100M Ohms/500VDC/25℃/70%RH
	电磁兼容发射	符合BSMI CNS13438，EAC TP TC 020，KC KN32
	电磁兼容抗扰度	符合EAC TP TC 020，KC KN32
其他	尺寸	L215mmW115mmH30mm
其他	重量	0.76kg

驱动器参数

动力电源	24VDC～60VDC（典型48V）
逻辑电源	从动力电源转换
最大连续输出电流	15A
峰值电流	30A
反馈信号	支持HALL+增量式光电编码器、485总线的绝对值编码器（多摩川）
能耗制动	需外接制动电阻（根据实际情况而定）
能耗制动电压吸收点	可设置
过压报警	可设置
欠压报警	可设置
冷却方式	风冷
重量（KG）	0.2KG
输入规格	RS232、CAN总线
输入功能	电流、速度、位置控制；驱动器参数的设置
输出规格	CAN总线
输出功能	查询驱动器状态
机械抱闸	具有机械抱闸的驱动电路和接口
RS232通信	最大支持115.2K波特率，自定义协议
保护功能	超速、过流、过压、欠压、过载、超差、编码器故障、内部芯片故障、模块故障
CAN通信	最大支持1M波特率，自定义协议；支持CANOpen协议（定制）
工作温度	0~40℃
保存温度	-20~85℃
湿度	40%~80%RH无结露
保护等级	IP20
安装场所	无粉尘干燥
安装方式	垂直安装
高度	1000m以下
大气压	86kPa~106kPa

控制系统：

控制系统由控制器和稳压电源组成。

稳压电源向控制器提供48V左右恒定电压。控制器使用CAN总线，通过机械结构底座上的接口，向伺服驱动器发送控制命令，同时读取伺服驱动器状态和电动缸状态。

处理器	TMS320F28335
处理器主频	150MHz
IO输入输出	3通道
AD输入（定制）	16通道，0~3V，12位，转换时间250ns；6通道，-10V~10V，16位，转换时间3.1us
DA输出（定制）	4通道，-10V~10V，16位，建立时间10us
编码器（定制）	支持2通道的数字增量式、32位计数、最大输入频率20MHz
通讯接口	SCI、RS485、CAN2.0A

开发概图

Simulink模型图

三、实验内容

列表3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。

实验内容	实验目的
并联机器人认知实验	熟悉并联机器人结构及定义
并联机器人运动学基础	掌握并联机器人的旋转矩阵及坐标变换
并联机器人基本控制实验	掌握串口通信和CAN通信
并联机器人运动学逆解仿真实验	掌握并联机器人的逆解求解方法
并联机器人运动学逆解实时控制实验	掌握并联机器人的实物控制模型算法

本科和研究生教学课程：

1.机器人学

2.机器人建模与仿真

5.机器人操作系统

6.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

支持科研方向

1.并联机器人正解算法研究

2.并联机器人速度加速度研究

3.并联机器人应用

4.并联机器人建模研究

5.并联机器人控制研究