六自由度機(jī)器人半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺（科研版）：本設(shè)備以垂直串聯(lián)六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人為核心，將機(jī)器視覺、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、光機(jī)電綜合等技術(shù)有機(jī)地進(jìn)行整合，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于靈活組合，實(shí)現(xiàn)對不同物料進(jìn)行快速的檢測、抓取、搬運(yùn)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(jī)器人為核心，將機(jī)器視覺、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、光機(jī)電綜合等技術(shù)有機(jī)地進(jìn)行整合，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于靈活組合，實(shí)現(xiàn)對不同物料進(jìn)行快速的檢測、抓取、搬運(yùn)等操作。為了方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，可以完成工業(yè)六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺檢測。

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

2、六自由度機(jī)器人半實(shí)物實(shí)驗(yàn)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(jī)器人控制系統(tǒng)模型，極大降低了機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)難度；

（2）工業(yè)級機(jī)器人

采用工業(yè)級六軸機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

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

2） 逆運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(dòng)示教。

6） 基于末端力傳感器的任務(wù)空間拖動(dòng)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(shí)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(xiàng)力矩參數(shù)集的快速辨識。

（3）工業(yè)機(jī)器視覺

采用工業(yè)級機(jī)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(jī)電綜合

基于PLC實(shí)現(xiàn)光機(jī)電與機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)；

（5）多樣化的調(diào)試手段

支持機(jī)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(shí)時(shí)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(jì)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(jìn)行末端力控算法的開發(fā)與驗(yàn)證，比如經(jīng)典力控方法阻抗控制驗(yàn)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(yàn)證。

2）動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識研究

機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是機(jī)械臂控制器設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)模型，提取最小參數(shù)集，并對激勵(lì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得關(guān)節(jié)角度以及關(guān)節(jié)力矩后，最后進(jìn)行離線處理和驗(yàn)證，而本公司基于MATLAB/Simulink的半實(shí)物仿真平臺，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和力矩可以很方便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和離線導(dǎo)出，加快用戶的開發(fā)驗(yàn)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(xiàng)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(xiàng)力矩辨識結(jié)果之和（黃色曲線）和關(guān)節(jié)實(shí)際力矩（紅色曲線）圖。

3）動(dòng)力學(xué)控制研究

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

3、六自由度機(jī)器人半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺（科研版）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人示教編程與再現(xiàn)控制

?機(jī)器人坐標(biāo)建立與正運(yùn)動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人關(guān)節(jié)控制分析實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人軌跡規(guī)劃離線仿真實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人空間直線運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

（2）《圖像處理與機(jī)器視覺》實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器人視覺與成像認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

?圖像的基本處理實(shí)驗(yàn)

?圖像增強(qiáng)與分割實(shí)驗(yàn)

?圖像特征提取實(shí)驗(yàn)

?機(jī)器視覺目標(biāo)識別實(shí)驗(yàn)

（3）《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)》實(shí)驗(yàn)

?可編程控制器編程實(shí)訓(xùn)

?變頻器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

?自動(dòng)控制技術(shù)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)

?機(jī)械系統(tǒng)安裝和調(diào)試實(shí)訓(xùn)

?光機(jī)電一體化系統(tǒng)的編程、調(diào)試和檢修

（4）《機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)

?視覺分揀機(jī)器人工作站集成實(shí)驗(yàn)

?碼垛機(jī)器人工作站集成實(shí)驗(yàn)

?搬運(yùn)機(jī)器人工作站集成實(shí)驗(yàn)

4、實(shí)驗(yàn)示例

（1）機(jī)器人軌跡規(guī)劃離線仿真實(shí)驗(yàn)

基于Matlab開發(fā)的六關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃仿真軟件sxTeach，為學(xué)生初步學(xué)習(xí)機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解算法提供了離線仿真環(huán)境。試驗(yàn)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(gè)關(guān)節(jié)角度

? 設(shè)置末端位置

? 編輯運(yùn)動(dòng)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(yùn)算后，直接得到6個(gè)關(guān)節(jié)角度曲線。

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

（2）機(jī)器人空間直線運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

在完成機(jī)器人離線仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本平臺更多地是使用真實(shí)的機(jī)器人實(shí)物本體作為控制對象。用戶基于Matlab Simulink可快速完成機(jī)器人控制算法的開發(fā)，經(jīng)自動(dòng)編譯后生成VxWorks實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼，最后實(shí)時(shí)代碼部署到實(shí)時(shí)仿真器中運(yùn)行，并通過多軸運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)模型，包括了軌跡規(guī)劃算法模型、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模型、單軸速度控制模型、六軸電機(jī)編碼器反饋模型等。

在六關(guān)節(jié)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制的硬件模型庫。用戶可基于本實(shí)驗(yàn)示例，任意替換機(jī)器人控制模型的各個(gè)算法模塊，在無需關(guān)注底層軟硬件接口實(shí)現(xiàn)的前提下，快速驗(yàn)證自己的機(jī)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)