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基于MATLAB/Simulink编程dSPACE/Speedgoat开放式机器人研发平台总体介绍
    发布时间: 2020-06-03 15:47    


典型案例

一、 现有机器人科研硬件平台的对比

   对于进行机器人方向研究的科研工作者来说,合适的硬件平台是验证研究成果及撰写高水平论文的基础。但是机器人是一个相对广泛的概念,从事机器人科研的方向也千差万别,机器人是一个集机械、控制、电气、计算机等多学科于一体的学科,没有一个万能的硬件平台能够满足所有科研工作者的需求,因此对于科研工作者来说,必须根据自己的科研需求定制合适的机器人科研平台。本篇文章从控制学科科研的角度出发,来介绍本公司研发的基于dSPACE和Speedgoat控制器的开放式机器人科研平台。

1.1 常见机器人系统平台对比

目前常见的机器人控制系统可以分为集成式商用机器人控制系统、基于嵌入式控制器开发的机器人控制系统和基于单板开发的机器人控制系统三大类。这三类机器人系统在实时性、开放性、易用性和稳定性上区别较大,他们面向的客户群体也有显著的区别,下面简述一下三种系统的特点,并介绍面向机器人科研工作的本平台的特点。

1.1.1 集成式商用机器人控制系统

1集成式商用机器人控制系统(发那科(左)和ABB机器人控制柜(右))

如图1所示,集成式商用机器人控制系统以ABB、KUKA、安川、发那科这类国外厂商为代表,其控制系统专为本公司的机器人研发,机器人控制柜内驱动控制一体化较高,用户不需要知道机器人的具体控制实现方式,只需要按照自己的应用需求进行系统集成即可。这类机器人控制系统性能稳定、在工业界应用广泛。

这类机器人系统是面向机器人系统集成商开发的,其控制系统非常封闭,用户往往只能进行位置规划相关算法研究或者基于厂家提供的各种收费软件包进行系统集成演示,难以进行机器人运动控制算法、动力学控制、视觉算法的修改。早期很多科研工作者在购买了此类机器人后,往往要发费很多精力对机器人进行改造以适用自己的科研需求。因此,此类机器人硬件平台在科研领域的应用十分受限。 

1.1.2基于嵌入式控制器开发的机器人控制系统

 

2基于嵌入式控制器开发的机器人控制系统

机器人控制技术可以看做运动控制技术的一个发展,传统的诸如数控机床等设备,常常采用嵌入式控制器进行控制系统的开发,如图2所示,从左至右依次为美国PMAC运动控制卡、固高运动控制卡、固高机器人控制器、卡诺普机器人控制器和嵌入式工业PC。与第一类集成式商用机器人控制系统不同,这种机器人控制器作为机器人的核心部件可以适配多种不同厂家和类型的机器人。同样,科研工作者也可以购买这类控制器,进行机器人平台的搭建。这类控制器往往运行linux或者Wince等嵌入式系统,有自己的开发语言和库函数,给用户一定的自主权,能够进行运动学等算法的实现,后期产品化也较为方便。但是从本质上,这类控制器还是面向工业应用的,对于科研工作者来说,要想熟练的使用各项功能需要经过一段时间的学习和摸索,从实际使用检验来看,如果科研实验室没有良好的技术积累和传承,往往会出现由于学生毕业生的技术断层的情况,每届学生都必须花费几个月时间重新学习控制器的编程方法,并且采用这类控制器进行实验数据的采集和处理很不方便,不利于理论成果的快速实验验证和高水平论文的快速发表。

1.1.3基于单板开发的机器人控制系统

3基于单板开发的机器人控制系统

  除了以上两种工业上比较成熟的控制系统外,在高校和科研院所,有些科研人员也基于嵌入式单板开发了机器人控制系统。这类机器人控制系统需要科研人员花很大精力在硬件设计上,往往会出现电磁兼容性和稳定性不足的问题,虽然能保证算法的开放性和实时性,但所有控制软件都需要用户编写,工作量大,开发周期长,并且运算性能较低,板卡接口有限,只能用于简单机器人的运动控制。

二、 dSPACE控制器和Speedgoat控制器在机器人控制中的优势

dSPACE是德国的一家国际性高科技公司,成立于1988年。公司除在德国Paderborn设有总部以外,在底特律、巴黎和剑桥还设有分部。dSPACE公司产品研发的主要定位于:为控制工程项目的开发和测试提供软/硬平台。dSPACE系统是由dSPACE公司开发的一套基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试的工作平台。系统既包括软件,又包括硬件。dSPACE系统的软件与MATLAB/Simulink完全无缝连接,高度自动化的代码生成/下载和友好的试验/调试软件环境使得应用开发过程快速易行;性能强劲的专用硬件具有高速计算和信号I/O能力,能够应对各种控制工程和相关应用领域的开发和测试需求。使用dSPACE控制器可以将控制工程师从各种杂务中解脱出来,使他们在开发的初期可以全身心致力于控制算法的研究;在产品测试阶段为测试工程师提供一个适应性强,界面友好的测试环境。dSPACE公司目前已拥有10000多家用户,其中70%销往德国以外的国家。dSPACE控制器基于嵌入式实时操作系统开发,具有良好的实时性、能够完成位置环、速度环、电流环程序的编写。

 

dSPACE控制器系列产品

Speedgoat公司是Mathworks联营公司,于2006年由Mathworks前员工成立,总部位于瑞士伯尔尼,分部门位于Natick(美国波士顿)和德国汉诺威,在Mathworks和Speedgoat公司内部,仅实时仿真和测试部门就有100人的核心团队,致力于专门提供针对Simulink环境的实时控制器解决方案。Speedgoat控制器已经在航空航天、汽车、能源、工业自动化、医疗和教育方面有着广泛的应用。

 

speedgoat控制器系列产品

dSPACE和Speedgoat两款控制器的作用类似于Arm或者DSP控制器的作用,可以作为一款万能控制器去控制各类自动化设备,相较于目前市面上其他控制器,dSPACE和Speedgoat两款控制器在科研领域具有以下优势:

2.1 编程方便,易用性强

  dSPACE和Speedgoat两款控制器的编程开发环境采用Matlab/Simulink,对于工科专业的学生,上手难度小,可以利用Matlab软件的函数以及功能强大M语言和C语言进行编程,可快速的进行控制系统的搭建。

2.2 硬件接口丰富,性能稳定

  dSPACE和Speedgoat两款控制器具有丰富的硬件接口,比如AD、DA、增量式编码器、绝对值编码器、旋转编码器、串口、CAN接口、Ethernet接口、Ethercat接口、普通PWM接口、三相桥式逆变专用PWM接口、数字量输入输出接口等,可以方便的外接智能相机、力矩传感器、激光雷达等外部设备。用户还可以根据自己的需求,选配不同数量的硬件板卡进行扩展。在航空航天和汽车领域,dSPACE和Speedgoat控制器经过数十年的验证,性能相当稳定。

2.3 开放性强,十分适用于科研应用

  dSPACE和Speedgoat控制器可适配各类型串联机器人/并联机器人、AGV移动机器人(通过无线WIFI连接)、适配客户定制或自己开发的各类型多轴伺服系统。可实现位置控制、速度控制和力矩控制,可集成力/力矩传感器、计算机视觉传感器、激光雷达、各类IMU等传感器,机器人手眼标定算法(Eye-to/in-Hand),基于视觉的机器人分拣工作站,机器人码垛、喷涂、打磨工作站,基于动力学的拖动示教、碰撞检测算法,机器人力位混合控制、鲁棒控制等先进控制算法,机器人应用工艺研究,客户定制的其他Demo集成等应用。
三、 本公司开发的开放式机器人科研平台简介


如上图所示,本公司基于dSPACE和Speedgoat控制器在机器人方向做了多项案例,包括3Kg负载串联机器人平台的视觉抓取、双臂20Kg负载机器人打磨平台、3Kg负载并联机器人平台、XY运动及电机对拖平台、5Kg负载协作机器人平台(采用Ethercat总线)、三轴数控机床平台、以及移动操作机器人项目方案等。

接下来几天,将会向大家逐一介绍具体案例方案,以及在进行机器人科研中如何按自己的需求选择dSPACE和Speedgoat控制器及相应的IO配置。