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机器人驱动与控制实验室建设方案
    发布时间: 2020-06-03 15:58    

本方案针对机器人驱动与控制的教学需求,由浅入深设计5类实验平台,用户可以根据自己的实际教学需要进行组合选择种类和数量。这5类平台分别为:

  • 电机对拖实验平台

  • XY运动实验平台

  • 多电机控制实验平台

  • 工业机器人实训平台

  • 工业机器人实验平台

  • 协作机器人实验平台

   下面就分别对这5类平台做一个介绍。


一、电机对托实验平台

电机控制技术是机器人控制技术的基础,本平台通过电机对拖的平台的形式进行电机控制的教学,主要包括直流电机对拖平台、交流电机对拖平台和步进电机对拖平台。

序号 内容 说明
1 直流伺服电机对拖平台
包含直流伺服电机对拖平台本体、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,5天代课指导。
2 交流伺服电机对拖平台
包含交流伺服电机对拖平台本体、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,5天代课指导。
3 步进电机对拖平台 包含步进电机对拖平台本体、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,5天代课指导。

    电机对拖平台的电机驱动器可以选用商用驱动器,如松下、汇川的驱动器,控制器选用实时控制器。此时,平台可以进行位置环和速度环PID控制器的调节。

    也可以选用本公司自主研发的开源驱动器,此时,通过实时控制器可以进行电机位置环、速度环和电流环的PID控制,以及研究SVPWM等电力电子控制算法。

实验内容 实验目的
实验一:对拖电机平台软硬件组成认知实验 认知对托电机平台系统软硬件组成。了解dSPACE控制器,学会安装其上位机软件。
实验二:Matlab/Simulink与Control Desk软件的使用 学会在Simulink中调用dSAPCE硬件接口库进行编程学会dSPACE上位机软件Control Desk的使用通过LED灯控制实验和模拟量收发实验进行dSPACE控制器的调试
实验三:对拖电机平台转速环位置环闭环实验 学会在dSPACE控制系统下完成对拖电机平台的转速环控制学会在dSPACE控制系统下完成对拖电机平台的位置环控制
实验四:对拖电机平台转速环位置环闭环加载实验 学会在dSPACE控制系统下完成对拖电机平台的转速环加载控制实验学会在dSPACE控制系统下完成对拖电机平台的位置环加载控制实验
实验五:对拖电机平台的时域和频域分析 学会更改转速环、位置环控制器的参数学会对对拖电机平台进行时域分析学会对对拖电机平台进行频域分析

图1 平台架构

图二、平台实物

二、XY运动实验平台


序号 内容 说明
1 XY平台 包含XY平台本体、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,5天代课指导。


XY平台由两台直线模组组成,每台模组采用交流伺服电机驱动,通过滚珠丝杆将电机的转动转化为滑台的平移运动,滑台配一个笔架,通过电磁铁可以控制笔架的升降。平台的X轴和Y轴采用精度为1μm的光栅尺或者采用低成本的电机编码器+丝杆螺距计算位移,构成XY平台的全闭环控制。在实时控制系统下,伺服驱动器工作在位置模式或速度模式。

图3 XY运动平台

图4 运动教学实验室


以下列表所列实验内容为可以在本平台完成的所有实验列表,所有实验程序均在Matlab/Simulink软件中编写,所有程序源代码均开放,可以自由修改。在进行运动控制教学的过程中,可以根据进度进行实验的增减和修改。
实验内容 实验目的
实验一:XY平台软硬件组成认知实验 认知XY平台系统软硬件组成。了解dSPACE控制器,学会安装其上位机软件。
实验二:Matlab/Simulink与Control Desk软件的使用 学会在Simulink中调用dSAPCE硬件接口库进行编程学会dSPACE上位机软件Control Desk的使用通过LED灯控制实验和模拟量收发实验进行dSPACE控制器的调试
实验三:XY平台位置环闭环实验 学会下载伺服驱动器的配置文件学会在dSPACE控制系统下完成XY平台的位置环控制能够控制XY平台完成基本的直线、圆、椭圆图形的绘制
实验四:XY平台轨迹规划实验 了解T型速度规划的方法通过自己编写的速度规划控制XY平台沿直线运动学会在Simulink中使用S函数编写程序
实验五:基于G代码的绘图实验 学会在dSPACE控制系统中实现基于G代码的绘图流程
实验六:XY平台的时域和频域分析 学会更改位置环控制器的参数学会对XY平台进行时域分析学会对XY平台进行频域分析


三、多电机控制实验平台


序号 内容 说明
1 多电机平台 包含10轴多电机伺服系统(100W伺服系统)、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,5天代课指导。
工业应用中,往往会出现多电机协同运动的场景,比如六轴串联机器人需要6个伺服电机同时运动,当需要和外部其他轴配合时,一个机电系统的运动轴数可能超过10个。本实验平台针对多电机运动的需求,通过实时控制器作为Ethercat主站,选配汇川、固高等多家品牌的伺服系统作为Ethercat从站,可以同时控制多各轴(理论上可以控制65535个轴,一般教学的话12个轴就可以了)。下图所示为通过Ethercat总线进行多电机控制的平台Demo。


图5 多电机控制实验平台

实验内容 实验目的
实验一:Ethercat总线认知 认知本平台采用的Ethercat总线的结构,speedgoat主站控制器的使用方法。
实验二:多电机平台位置控制 通过总线向多电机平台每个电机发送不同的位置指令,在上位机中观察多电机运动的同步性和定位精度。
实验三:多电机平台速度控制 通过总线向多电机平台每个电机发送不同的速度指令,在上位机中观察多电机运动的同步性和速度控制精度。


四、工业机器人实训平台


序号 内容 说明
1 工业机器人实训平台 机器人实训操作:包含平台所有部件的系统集成费用,实验指 导书及配套例程、视觉抓取C++代码,ROS 控制代码,5天技术培训。

UR机器人实训平台主要由UR3机器人、固定式相机、相机控制PC机、气动机器人末 端执行器和物料箱组成。平台可以使用UR机器人自带的示教器进行机器人示教编程。可以使用C++语言,进行基于视觉的物料抓取实训。可以实现C++编程。可以连接 ROS作为上位机规划,完成机器人上层控制功能。同时平台预留了空间,可以用于后 续其他机器人应用的扩展,比如机器人3D视觉等。


图6 UR工业机器人实训平台

UR机器人是丹麦Universal Robots公司的产品,全球已经销售超过42,000台。本实训平台选用 的UR3 协作式机器人是一种小型的协作式桌面机器人,非常适合轻型装配作业和自动化作业台等 应用场合。这种紧凑型协作式桌面机器人重量只有 24.3 磅(11 千克),但有效载荷可达 6.6 磅 (3 千克),所有手腕关节均可实现 360 度旋转,末端关节可无限旋转。UR3其他主要性能参数 如下:

图7 UR3

图8 UR3指标


实验内容 实验目的
实验一:机器人系统组成认知 本实验首先进行本实验平台软硬件组成的认识,了解机器人本体的结构、实训平台的组成、演示DEMO的操作。
实验二:UR机器人使用教学1 学会UR机器人示教器的基本使用方式,关节空间运动、笛卡尔空间运动、拖动示教等功能,机器人IO接口的调用。
实验三:UR机器人使用教学2 学会利用UR机器人的示教器和脚本文件编写一些简单的位置运动轨迹。
实验四:机器人运动学正解验证 以改进的DH法进行机器人正运动学的建模,单轴运动机器人的各关节,能够正确计算出机器人的位置和姿态。
实验五:机器人运动学逆解验证( 给定一个机器人末端的位置和姿态,能够正确的解算出机器人各关节的控制量,并完成慢速的空间直线运动
实验六:机器人轨迹规划 调用ROS工具包,实现机器人空间位置的点到点位置规划
实验七:基于ROS的机器人写字实验 在机器人末端安装马克笔,通过ROS系统调用相应的软件包,控制UR机器人在平面写字。
实验八:机器人视觉—机器人手眼标定(Eye-to-hand) 在机器人操作台面安装摄像头,进行摄像头内外参数的标定
实验九:基于Eye-to-hand的机器人码垛实验 通过视觉定位的方式对积木进行定位,并控制机器人末端手抓吸取积木,码垛到指定位置。


五、工业机器人实验平台


序号 内容 说明
1 工业机器人平台1 机器人基本实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。
2 工业机器人平台2 机器人视觉实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、视觉系统、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。
3 工业机器人平台3 机器人力控实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、ATI力传感器、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。

六轴串联机器人是在机器人领域目前应用最多的一类机器人,广泛的应用在上下料、搬运、焊接、打磨等场景中。在工业机器人实验平台中,本公司基于实时控制器做为机器人控制器,本体和永磁同步伺服系统采用国内工业机器人最大规模的埃夫特公司的六轴机器人,建立了一套开源机器人实验平台。该平台和其他机器人实验平台最大的区别在于,机器人的所有运动控制算法都是基于Matlab/Simulink编写的,且所有代码均可由用户自主更改。


图9 开源机器人实验平台

图10 机器人开源控制算法


实验内容 实验目的
实验一:机器人系统组成认知 本实验首先进行本实验平台软硬件组成的认识,了解机器人本体的结构、学会机器人控制器的基本编程方法。
实验二:机器人单轴控制 以六轴为例,使用Speedgoat控制器进行机器人单关节的控制,能够控制机器人六轴的位置/速度/力矩,能够读取机器人六轴相应的位置/速度/力矩反馈数据。然后依次控制机器人的1~5轴,进行相应的单轴运动。
实验三:机器人运动学正解验证(基于DH法) 以改进的DH法进行机器人正运动学的建模,单轴运动机器人的各关节,能够正确计算出机器人的位置和姿态。
实验四:机器人运动学正解验证(基于POE法) 以指数积法进行机器人正运动学的建模,单轴运动机器人的各关节,能够正确计算出机器人的位置和姿态。
实验五:机器人运动学逆解验证(基于DH法) 给定一个机器人末端的位置和姿态,能够正确的解算出机器人各关节的控制量,并完成慢速的空间直线运动
实验六:机器人运动学逆解验证(基于POE法) 给定一个机器人末端的位置和姿态,能够正确的解算出机器人各关节的控制量,并完成慢速的空间直线运动
实验七:机器人T型速度规划 基于T型速度规划对空间直线的运动进行速度规划
实验八:机器人S型速度规划 基于S型速度规划对空间直线的运动进行速度规划
实验十:机器人点到点运动轨迹规划(基于三次样条曲线) 基于三次样条曲线对多点运动进行拟合,进行轨迹规划
实验十一:基于位置环的机器人绘图实验 在机器人末端安装马克笔,通过G代码的编译和解析程序,完成机器人在平面内的绘图任务。
实验十二:机器人视觉—机器人手眼标定(Eye-in-hand) 在机器人末端安装摄像头,进行摄像头内外参数的标定
实验十三:基于Eye-in-hand的机器人拼积木实验 通过Eye-in-hand的方式进行机器人末端手抓进行积木的简单拼图
实验十四:机器人视觉—机器人手眼标定(Eye-to-hand) 在机器人工作台固定处安装摄像头,进行摄像头内外参数的标定
实验十五:基于Eye-to-hand的机器人拼积木实验 通过Eye-to-hand的方式进行机器人末端手抓进行积木的简单拼图
实验十六:ATI六维力传感器标定及重力补偿实验 基于Ethernet进行六维力传感器数据的读取,通过实验法进行传感器坐标系、工具末端重力的辨识
实验十七:基于力反馈的机器人绘图实验 基于力传感器的力反馈在实验十一的基础上保持绘制图案的接触力的恒定
实验十八:基于强化学习算法的机器人轴孔装配实验 基于计算机视觉和力传感器数据,应用强化学习算法进行机器人轴孔装配实验

六、协作机器人实验平台

序号 内容 说明
1 协作机器人平台1 机器人基本实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。
2 协作机器人平台2 机器人视觉实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、视觉系统、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。
3 协作机器人平台3 机器人力控实验:包含3KG六轴工业机器人、机器人手爪、机器人吸盘、ATI力传感器、电器控制箱、实验指导书及源代码、3天技术培训,8天代课指导。

除了第4部分的传统的工业机器人外,目前协作机器人的应用也越来越广泛。与传统工业机器人不同,协作机器人通常将电机、驱动器、减速器集成在机器人的本体上,机器人更加轻便,安全。本公司基于Speedgoat控制器,设计了一套协作机器人实验平台,该平台采用Ethercat总线控制,软件上依然是基于Matlab/Simulink编程,所有机器人控制算法均开源提供。   实验平台4和5的区别主要在机器人硬件上,实验配置方面是一样的,实验配置见下一页ppt。


图11 协作机器人实验平台


实验内容 实验目的
实验一:机器人系统组成认知 本实验首先进行本实验平台软硬件组成的认识,了解机器人本体的结构、学会机器人控制器的基本编程方法。
实验二:机器人单轴控制 以六轴为例,使用Speedgoat控制器进行机器人单关节的控制,能够控制机器人六轴的位置/速度/力矩,能够读取机器人六轴相应的位置/速度/力矩反馈数据。然后依次控制机器人的1~5轴,进行相应的单轴运动。
实验三:机器人运动学正解验证(基于DH法) 以改进的DH法进行机器人正运动学的建模,单轴运动机器人的各关节,能够正确计算出机器人的位置和姿态。
实验四:机器人运动学正解验证(基于POE法) 以指数积法进行机器人正运动学的建模,单轴运动机器人的各关节,能够正确计算出机器人的位置和姿态。
实验五:机器人运动学逆解验证(基于DH法) 给定一个机器人末端的位置和姿态,能够正确的解算出机器人各关节的控制量,并完成慢速的空间直线运动
实验六:机器人运动学逆解验证(基于POE法) 给定一个机器人末端的位置和姿态,能够正确的解算出机器人各关节的控制量,并完成慢速的空间直线运动
实验七:机器人T型速度规划 基于T型速度规划对空间直线的运动进行速度规划
实验八:机器人S型速度规划 基于S型速度规划对空间直线的运动进行速度规划
实验十:机器人点到点运动轨迹规划(基于三次样条曲线) 基于三次样条曲线对多点运动进行拟合,进行轨迹规划
实验十一:基于位置环的机器人绘图实验 在机器人末端安装马克笔,通过G代码的编译和解析程序,完成机器人在平面内的绘图任务。
实验十二:机器人视觉—机器人手眼标定(Eye-in-hand) 在机器人末端安装摄像头,进行摄像头内外参数的标定
实验十三:基于Eye-in-hand的机器人拼积木实验 通过Eye-in-hand的方式进行机器人末端手抓进行积木的简单拼图
实验十四:机器人视觉—机器人手眼标定(Eye-to-hand) 在机器人工作台固定处安装摄像头,进行摄像头内外参数的标定
实验十五:基于Eye-to-hand的机器人拼积木实验 通过Eye-to-hand的方式进行机器人末端手抓进行积木的简单拼图
实验十六:ATI六维力传感器标定及重力补偿实验 基于Ethernet进行六维力传感器数据的读取,通过实验法进行传感器坐标系、工具末端重力的辨识
实验十七:基于力反馈的机器人绘图实验 基于力传感器的力反馈在实验十一的基础上保持绘制图案的接触力的恒定
实验十八:基于强化学习算法的机器人轴孔装配实验 基于计算机视觉和力传感器数据,应用强化学习算法进行机器人轴孔装配实验