1、概述

本設備以垂直串聯(lián)六關節(jié)工業(yè)機器人為核心，將機器視覺、機器人運動控制、光機電綜合等技術有機地進行整合，采用模塊化結(jié)構，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，系統(tǒng)進行了專門的設計，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，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、電氣控制回路、執(zhí)行機構相對獨立，采用工業(yè)標準件設計。通過此平臺可以進行機械組裝、電氣線路設計與接線、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用編程等多方面創(chuàng)新實驗，適合作為本科學校相關專業(yè)課程《工業(yè)機器人與控制技術》、《機器視覺》、《工業(yè)機器人集成與應用》、《工業(yè)機器人綜合實訓》等課程的實驗教學，也可作為相關專業(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） 單關節(jié)、多關節(jié)聯(lián)動，模擬傳統(tǒng)示教器的任務空間示教功能。

2） 逆運動學幾何與數(shù)值迭代解法對比。

3） 提供末端工具相對法蘭中心坐標系位姿4/6點標定法。

4） 軌跡規(guī)劃

5） ‘零力’模式下關節(jié)空間的拖動示教。

6） 基于末端力傳感器的任務空間拖動示教。

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；

（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、動力學、視覺處理等相關算例和培訓文檔，為高年級本科生的課程設計和研究生的科研創(chuàng)新提供學習參考。

（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)自適應等先進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）動力學參數(shù)辨識研究

機械臂的動力學參數(shù)是機械臂控制器設計的重要參數(shù)，包含關節(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模型，提取最小參數(shù)集，并對激勵軌跡進行優(yōu)化設計，獲得關節(jié)角度以及關節(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)測和離線導出，加快用戶的開發(fā)驗證周期。

本公司做了關節(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節(jié)2關節(jié)摩擦力和重力項力矩辨識結(jié)果之和（黃色曲線）和關節(jié)實際力矩（紅色曲線）圖。

3）動力學控制研究

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

3、六自由度機器人半實物實驗平臺（科研版）實驗內(nèi)容

（1）《機器人學基礎》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

?機器人坐標建立與正運動分析實驗

?機器人逆運動學分析實驗

?機器人動力學分析實驗

?機器人關節(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

?機器視覺目標識別實驗

（3）《機電一體化系統(tǒng)設計實訓》實驗

?可編程控制器編程實訓

?變頻器應用實訓

?自動控制技術教學與實訓

?機械系統(tǒng)安裝和調(diào)試實訓

?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)的六關節(jié)機器人的軌跡規(guī)劃仿真軟件sxTeach，為學生初步學習機器人軌跡規(guī)劃和運動學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)

? 設置各個關節(jié)角度

? 設置末端位置

? 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)對機器人各關節(jié)的控制。

如下圖所示，基于Matlab Simulink開發(fā)六關節(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  ?河南科技大學  ?青島大學   ?中國科學院空間應用工程與技術中心

?洛陽師范學院  ?上海理工大學  ?上海工程技術大學?北方民族大學  ?中南大學  ?北京航空航天大學