六自由度機器人半實物實驗平臺（科研版）：本設(shè)備以垂直串聯(lián)六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人為核心，將機器視覺、機器人運動控制、光機電綜合等技術(shù)有機地進行整合，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于靈活組合，實現(xiàn)對不同物料進行快速的檢測、抓取、搬運等操作。

1、概述

本設(shè)備以垂直串聯(lián)六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人為核心，將機器視覺、機器人運動控制、光機電綜合等技術(shù)有機地進行整合，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于靈活組合，實現(xiàn)對不同物料進行快速的檢測、抓取、搬運等操作。為了方便實驗教學(xué)，系統(tǒng)進行了專門的設(shè)計，可以完成工業(yè)六自由度機器人運動控制和機器視覺檢測。

平臺主要包含六自由度工業(yè)機器人、智能視覺檢測系統(tǒng)，以及一套傳送帶機構(gòu)，可以實現(xiàn)對不同工件進行檢測、分揀、搬運、存儲等操作。機器人平臺各組件均安裝在型材桌面上，機械結(jié)構(gòu)、電氣控制回路、執(zhí)行機構(gòu)相對獨立，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計。通過此平臺可以進行機械組裝、電氣線路設(shè)計與接線、智能視覺算法及流程編輯、工業(yè)機器人運動控制算法與應(yīng)用編程等多方面創(chuàng)新實驗，適合作為本科學(xué)校相關(guān)專業(yè)課程《工業(yè)機器人與控制技術(shù)》、《機器視覺》、《工業(yè)機器人集成與應(yīng)用》、《工業(yè)機器人綜合實訓(xùn)》等課程的實驗教學(xué)，也可作為相關(guān)專業(yè)的研究生進行科研創(chuàng)新的開發(fā)平臺。

2、六自由度機器人半實物實驗平臺（科研版）特征優(yōu)勢

（1）開發(fā)環(huán)境友好

基于MATLAB Simulink開發(fā)機器人控制系統(tǒng)模型，極大降低了機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)難度；

（2）工業(yè)級機器人

采用工業(yè)級六軸機械臂，可實現(xiàn)以下功能：

1） 單關(guān)節(jié)、多關(guān)節(jié)聯(lián)動，模擬傳統(tǒng)示教器的任務(wù)空間示教功能。

2） 逆運動學(xué)幾何與數(shù)值迭代解法對比。

3） 提供末端工具相對法蘭中心坐標(biāo)系位姿4/6點標(biāo)定法。

4） 軌跡規(guī)劃

5） ‘零力’模式下關(guān)節(jié)空間的拖動示教。

6） 基于末端力傳感器的任務(wù)空間拖動示教。

7） 碰撞檢測功能。

8） 基于末端力傳感器力反饋閉環(huán)的力位混合直接力控制，實現(xiàn)恒力或者變力控制。

9） 庫倫-粘性/LuGre關(guān)節(jié)摩擦力模型的快速參數(shù)辨識。

10） 重力項力矩參數(shù)集的快速辨識。

（3）工業(yè)機器視覺

采用工業(yè)級機器視覺處理裝置，具備檢測數(shù)字、物體顏色、物體形狀等功能；

（4）光機電綜合

基于PLC實現(xiàn)光機電與機器人綜合實訓(xùn)；

（5）多樣化的調(diào)試手段

支持機器人控制器模型任意參數(shù)的在線修改、任意系統(tǒng)變量的在線監(jiān)測，以及所有觀測數(shù)據(jù)的實時存儲、離線回放、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等豐富的開發(fā)調(diào)試手段；

（6）開源示例

平臺提供開源的機器人運動學(xué)、動力學(xué)、視覺處理等相關(guān)算例和培訓(xùn)文檔，為高年級本科生的課程設(shè)計和研究生的科研創(chuàng)新提供學(xué)習(xí)參考。

（7）科研功能平臺

1）末端力控研究

用戶基于simulink可以快速進行末端力控算法的開發(fā)與驗證，比如經(jīng)典力控方法阻抗控制驗證，參數(shù)自適應(yīng)等優(yōu)良力控算法以及模糊控制等智能力控算法的開發(fā)與驗證。

2）動力學(xué)參數(shù)辨識研究

機械臂的動力學(xué)參數(shù)是機械臂控制器設(shè)計的重要參數(shù)，包含關(guān)節(jié)摩擦力參數(shù)，各連桿質(zhì)量及質(zhì)量分布的參數(shù)（慣量矩陣/慣性張量）等，完整的參數(shù)辨識需要基于動力學(xué)模型，提取最小參數(shù)集，并對激勵軌跡進行優(yōu)化設(shè)計，獲得關(guān)節(jié)角度以及關(guān)節(jié)力矩后，最后進行離線處理和驗證，而本公司基于MATLAB/Simulink的半實物仿真平臺，關(guān)節(jié)運動角度和力矩可以很方便進行實時監(jiān)測和離線導(dǎo)出，加快用戶的開發(fā)驗證周期。

本公司做了關(guān)節(jié)摩擦力的快速辨識，以及重力項力矩最小參數(shù)集的快速辨識。下圖為中低速情況關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)摩擦力和重力項力矩辨識結(jié)果之和（黃色曲線）和關(guān)節(jié)實際力矩（紅色曲線）圖。

3）動力學(xué)控制研究

基于北航霍偉教授的書籍《機器人動力學(xué)與控制》中相關(guān)章節(jié)，可以進行動力學(xué)控制的相關(guān)研究。

3、六自由度機器人半實物實驗平臺（科研版）實驗內(nèi)容

（1）《機器人學(xué)基礎(chǔ)》實驗

?機器人機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)認知實驗

?機器人示教編程與再現(xiàn)控制

?機器人坐標(biāo)建立與正運動分析實驗

?機器人逆運動學(xué)分析實驗

?機器人動力學(xué)分析實驗

?機器人關(guān)節(jié)控制分析實驗

?機器人軌跡規(guī)劃離線仿真實驗

?機器人空間直線運動仿真實驗

（2）《圖像處理與機器視覺》實驗

?機器人視覺與成像認知實驗

?圖像的基本處理實驗

?圖像增強與分割實驗

?圖像特征提取實驗

?機器視覺目標(biāo)識別實驗

（3）《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實訓(xùn)》實驗

?可編程控制器編程實訓(xùn)

?變頻器應(yīng)用實訓(xùn)

?自動控制技術(shù)教學(xué)與實訓(xùn)

?機械系統(tǒng)安裝和調(diào)試實訓(xùn)

?光機電一體化系統(tǒng)的編程、調(diào)試和檢修

（4）《機器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用》實驗

?視覺分揀機器人工作站集成實驗

?碼垛機器人工作站集成實驗

?搬運機器人工作站集成實驗

4、實驗示例

（1）機器人軌跡規(guī)劃離線仿真實驗

基于Matlab開發(fā)的六關(guān)節(jié)機器人的軌跡規(guī)劃仿真軟件sxTeach，為學(xué)生初步學(xué)習(xí)機器人軌跡規(guī)劃和運動學(xué)正逆解算法提供了離線仿真環(huán)境。試驗界面如下圖所示，可以完成如下功能：

? 配置DH參數(shù)

? 設(shè)置各個關(guān)節(jié)角度

? 設(shè)置末端位置

? 編輯運動軌跡

? 軌跡規(guī)劃

單擊Profile按鈕，執(zhí)行軌跡規(guī)劃操作，經(jīng)過正逆解運算后，直接得到6個關(guān)節(jié)角度曲線。

軌跡規(guī)劃仿真軟件sxTeach的后臺運算采用M語言編寫，且所有源代碼均向用戶開放。

（2）機器人空間直線運動仿真實驗

在完成機器人離線仿真實驗的基礎(chǔ)上，本平臺更多地是使用真實的機器人實物本體作為控制對象。用戶基于Matlab Simulink可快速完成機器人控制算法的開發(fā)，經(jīng)自動編譯后生成VxWorks實時系統(tǒng)代碼，最后實時代碼部署到實時仿真器中運行，并通過多軸運動控制卡實現(xiàn)對機器人各關(guān)節(jié)的控制。

如下圖所示，基于Matlab Simulink開發(fā)六關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)模型，包括了軌跡規(guī)劃算法模型、逆運動學(xué)算法模型、單軸速度控制模型、六軸電機編碼器反饋模型等。

在六關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)模型中，我公司主要提供了控制算法示例模型和運動控制的硬件模型庫。用戶可基于本實驗示例，任意替換機器人控制模型的各個算法模塊，在無需關(guān)注底層軟硬件接口實現(xiàn)的前提下，快速驗證自己的機器人控制系統(tǒng)算法模型。

5、選型配置

6、部分用戶

?北京交通大學(xué)  ?河南科技大學(xué)  ?青島大學(xué)   ?中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心

?洛陽師范學(xué)院  ?上海理工大學(xué)  ?上海工程技術(shù)大學(xué)?北方民族大學(xué)  ?中南大學(xué)  ?北京航空航天大學(xué)