中科深谷教学科研平台|全开源七轴协作机器人(SRS构型)

文摘   2024-09-09 15:26   安徽  

一、实验平台介绍
七轴机器人,又称为冗余机器人,相比六轴机器人额外的轴允许机器人躲避某些特定的目标,便于末端执行器到达特定的位置,可以更加灵活的适应某些特殊工作环境。

开源七轴协作机器人部件概览图

如图所示,开源七轴协作机器人平台使用时需要包含以下几个部件:

1.

七轴臂本体

主要运动部件,实现用户期望的动作; 

2.

控制系统

包括机械臂运动控制器、开关电源模块、制动电阻等,并提供相关电气接口; 

3.

机械臂底座

十字型移动底座,含四个支撑脚垫,两个万向轮。 

4.

两指夹爪

可用于抓取物体。

5.

六维力传感器(选配)

用于力控检测与控制等高级动力学实验。

6.

机械臂线缆

机械臂标配的屏蔽线缆。


七轴对于六轴机器人具有优势的地方
Manufacturing equipment

1、改善运动学特性:奇异构型,关节位移超限,工作环境中存在障碍;

2、改善动力学特性;

3、容错性。

二、配置清单

01
机器人本体

图 | 机械臂DH参数

协作机械臂本体技术参数


部件

内容

主要技术参数指标

本体

自由度

7

本体自重

9.8kg

末端负载

3kg

关节活动范围

J1

±175°

J2

±124°

J3

±175°

J4

±129°

J5

±175°

J6

±127°

J7

±175°

最大速度

J1

150˚/s

J2

150˚/s

J3

180˚/s

J4

180˚/s

J5

192˚/s

J6

192˚/s

J7

192˚/s

末端速度:≤2m/s

重复定位精度

<±0.03mm

绝对定位精度

<±0.5mm

功耗

普通工况下<300W

占地面

Φ123mm

抱闸类型

24VDC永磁式

供电电压

DC 48V

额定寿命

20000h

环境湿度

25 - 85%无冷凝

环境温度

0 - 45℃

安装方式

任意角度

噪声

≤60dB

防护等级

IP54

总线通讯协议

EtherCAT

02
机械臂控制系统

1、控制系统硬件

控制系统四核ARM Cortex-A55架构和MATLAB/Simulink开发,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。控制系统如图2.1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。


EtherCAT通信版控制系统

控制系统技术参数

额定电压

DC5V

工作温度

-10℃~50℃

工作湿度

10%~90%,无凝结

主处理器

四核ARM Cortex-A55

主处理器时钟

四核2GHz

存储(片内)

4GB DDR4,32GB eMMC

机械臂控制总线

EtherCAT

其他外设

MicroSD、USB、RS485、RS232

视频输出

1路HDMI

上位机

支持,Ethernet接口


2、产品特点


01

控制器性能强悍
02

运算性能强
03

存储空间大
04

支持EtherCAT工业总线
05

控制周期可达1ms
06

提供更丰富的动力学控制实验

03
关节模组
此系列关节模组是一款基于模块化理念设计、轻巧、高精度的协作机械臂关节。一体化集成的模组不仅结构紧凑、安装简便、性价比高,节约您在协作机械臂的设计、组装等多个环节投入的成本,同时我们不断的对产品进行升级、优化和定制化服务,提供更丰富的产品选择,方便您更加自由灵活地设计自己的机械臂。解决机械臂在更多复杂工作环境的适应性和稳定性。

1.

谐波减速机

中空超扁平设计,具有传动比大、传动平稳、齿面磨损小而均匀、传动效率和精度高、回差小等优点,常作为机械臂手腕关节的减速及传动装置。
2.

无框力矩电机

中空超薄大孔径,可减小关节尺寸、减轻关节重量,并提升其动作效率。
3.

伺服驱动器

伺服驱动器集成于关节模组内部,采用48V直流动力电源和EtherCAT总线控制,因无需再为机械臂的各个关节轴配备单独的伺服驱动器,这将节省大量电气柜安装空间,让设备系统变得更加紧凑。因为多个关节模组的电源和通讯端口,是可以按照链式拓扑结构串行连接的,加之使用了空心轴无框电机和谐波减速机,这样,集成了关节模组的机械臂,其电气线缆是可以直接串联敷设在机械臂空腔内部的,而不是像传统机械臂那样并排挂在机械臂表面。这样不仅让机械臂外观变得十分简洁,更重要的是,因为在关节处并没有多根并联电缆的扭转弯折,从而降低了机械臂工作时的运动负载;同时,更少的线缆数量还将会减轻机械臂的重量,这些都有助于提升机械臂的工作效率。
4.

编码器

采用了17位Biss反馈,可以达到±5角秒的重复定位精度。同时,内部在输入端和输出端分别各有一个编码器,通过比较两个编码器的位置和速度反馈,参照驱动电流和电机扭矩的输出,可以判断出模组所在关节受到外界作用力的大小,将这一系列数据信息反馈给控制器,就能够在不额外增加辅助传感器的情况下,很方便的实现对机械臂的安全控制。
5.

制动器

配有电磁摩擦片式一体传统抱闸,结构紧凑,噪音小,制动效果更好,更安全。

三、MBD开发方式


采用MBD进行机械臂开发设计,特色如下:


01

将仿真建模与实际研发产品结合,引入高可靠性的实时软硬件环境做技术保障。
02

从需求捕获到设计、实现和测试,系统模型开发和测试始终占据开发流程的核心。
03

追求持续不断的创新,将客户所追求的前沿创新技术与安全、可靠的核心功能有机结合。

四、配套系统及软件支持

01
MATLAB/Simulink




MATLAB/Simulink 2020b,搭载机器人工具箱Robotic Toolbook for Matlab。
02
开源机器人操作系统(ROS)




操作系统:Ubuntu18.04系统,配套开源机器人操作系统ROS melodic。
03
Moveit-Gazebo




04
上位机界面
友好的交互界面,开放的通讯协议,丰富的功能指令模块,可自定义数据图形化显示、数据保存、在线调参。


(七轴协作机器人)
五、平台技术实验具体介绍

以下是本平台提供的实验列表,所有实验均基于Matlab/Simulink软件编写,其源代码完全开放,可自由修改。
实验类型实验内容
机械臂运动学控制实验

机器人机械结构认知实验

驱动和控制系统认知实验

运动学基本知识实验

机械臂坐标系建立和D-H参数设定实验

机械臂正运动学分析实验

机械臂逆运动学分析实验

机械臂运动控制逆解实验(PTP控制)

机械臂的笛卡尔空间轨迹规划实验(PT控制)

机械臂的笛卡尔空间轨迹规划实验(PT画圆)

冗余零空间自运动实验
机械臂动力学控制实验
机械臂单关节PID算法正弦曲线跟踪实验
机械臂双关节PID算法正弦曲线跟踪实验
机械臂单关节零力拖动实验
机械臂双关节零力拖动实验
机械臂多关节零力拖动实验
机械臂单关节自适应算法正弦曲线跟踪实验
参数辨识实验
拖动示教实验

碰撞检测实验

机械臂建模与仿真实验

三维建模

机械臂URDF模型创建实验

机械臂URDF导入Simscape实验

关节驱动器的导入与配置实验

关节驱动器的导入与配置实验

基于Simscape运动学仿真实验
基于Simscape动力学仿真实验

支撑科研方向

(1)机械臂高精度轨迹跟踪控制算法研究;
(2)机器人动力学与控制:参数辨识、柔顺控制、碰撞检测、拖动示教等;
(3)机器人高级自动控制算法:迭代控制、自适应控制、神经网络控制等;
(4)冗余自由度机械臂运动学和动力学
(5)超自由度的路径规划
(6)冗余机械臂单关节故障下的建模与容错控制研究
(7)七自由度冗余空间机械臂多目标轨迹规划研究
(8)柔性机械臂运动学参数标定与精度补偿技术研究;
(9)基于关节力传感器/末端六维力传感器的柔顺控制与动力学算法研究;
(10)集成深度相机、5G等,进行“机器人+”应用;
(11)分布式多机协同运动控制;
(12)人工智能+机器人:基于深度学习的控制、决策和规划等。

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