硬件在回路HIL半实物实时仿真六自由度机器人半实物实验平台

六自由度机器人半实物实验平台

一、平台概述

本设备以垂直串联六关节工业机器人为核心，将机器视觉、机器人运动控制、光机电综合等技术有机地进行整合，采用模块化结构，便于灵活组合，实现对不同物料进行快速的检测、抓取、搬运等操作。为了方便实验教学，系统进行了专门的设计，可以完成工业六自由度机器人运动控制和机器视觉检测。

平台主要包含六自由度工业机器人、智能视觉检测系统，以及一套传送带机构，可以实现对不同工件进行检测、分拣、搬运、存储等操作。机器人平台各组件均安装在型材桌面上，机械结构、电气控制回路、执行机构相对独立，采用工业标准件设计。通过此平台可以进行机械组装、电气线路设计与接线、智能视觉算法及流程编辑、工业机器人运动控制算法与应用编程等多方面创新实验，适合作为本科学校相关专业课程《工业机器人与控制技术》、《机器视觉》、《工业机器人集成与应用》、《工业机器人综合实训》等课程的实验教学，也可作为相关专业的研究生进行科研创新的开发平台。

二、特征优势

1、开发环境友好

基于MATLAB Simulink开发机器人控制系统模型，极大降低了机器人控制系统设计的开发难度；

2、工业级机器人

采用工业级六轴机械臂，可实现以下功能：

（1） 单关节、多关节联动，模拟传统示教器的任务空间示教功能。

（2） 逆运动学几何与数值迭代解法对比。

（3） 提供末端工具相对法兰中心坐标系位姿4/6点标定法。

（4） 轨迹规划

（5） ‘零力’模式下关节空间的拖动示教。

（6） 基于末端力传感器的任务空间拖动示教。

（7） 碰撞检测功能。

（8） 基于末端力传感器力反馈闭环的力位混合直接力控制，实现恒力或者变力控制。

（9） 库伦-粘性/LuGre关节摩擦力模型的快速参数辨识。

（10） 重力项力矩参数集的快速辨识。

3、工业机器视觉

采用工业级机器视觉处理装置，具备检测数字、物体颜色、物体形状等功能；

4、光机电综合

基于PLC实现光机电与机器人综合实训；

5、多样化的调试手段

支持机器人控制器模型任意参数的在线修改、任意系统变量的在线监测，以及所有观测数据的实时存储、离线回放、数据导出等丰富的开发调试手段；

6、开源示例

平台提供完全开源的机器人运动学、动力学、视觉处理等相关算例和培训文档，为高年级本科生的课程设计和研究生的科研创新提供学习参考。

7.科研功能平台

（1）末端力控研究

用户基于simulink可以快速进行末端力控算法的开发与验证，比如经典力控方法阻抗控制验证，参数自适应等先进力控算法以及模糊控制等智能力控算法的开发与验证。

（2）动力学参数辨识研究

机械臂的动力学参数是机械臂控制器设计的重要参数，包含关节摩擦力参数，各连杆质量及质量分布的参数（惯量矩阵/惯性张量）等，完整的参数辨识需要基于动力学模型，提取最小参数集，并对激励轨迹进行优化设计，获得关节角度以及关节力矩后，ZH进行离线处理和验证，而本公司基于MATLAB/Simulink的半实物仿真平台，关节运动角度和力矩可以很方便进行实时监测和离线导出，加快用户的开发验证周期。

本公司做了关节摩擦力的快速辨识，以及重力项力矩最小参数集的快速辨识。下图为中低速情况关节2关节摩擦力和重力项力矩辨识结果之和（黄色曲线）和关节实际力矩（红色曲线）图。

（3）动力学控制研究

基于北航霍伟教授的书籍《机器人动力学与控制》中相关章节，可以进行动力学控制的相关研究。

三、实验内容

1、《机器人学基础》实验

❋机器人机械系统与控制系统认知实验   ❋机器人示教编程与再现控制      ❋机器人坐标建立与正运动分析实验    ❋机器人逆运动学分析实验

❋机器人动力学分析实验                      ❋机器人关节控制分析实验          ❋机器人轨迹规划离线仿真实验          ❋机器人空间直线运动仿真实验

2、《图像处理与机器视觉》实验

❋机器人视觉与成像认知实验                ❋图像的基本处理实验                ❋图像增强与分割实验

❋图像特征提取实验                             ❋机器视觉目标识别实验

3、《机电一体化系统设计实训》实验

❋可编程控制器编程实训                       ❋变频器应用实训                      ❋自动控制技术教学与实训

❋机械系统安装和调试实训                    ❋光机电一体化系统的编程、调试和检修

4、《机器人系统集成与应用》实验

❋视觉分拣机器人工作站集成实验          ❋码垛机器人工作站集成实验   ❋搬运机器人工作站集成实验

四、实验示例

1、机器人轨迹规划离线仿真实验

基于Matlab开发的六关节机器人的轨迹规划仿真软件sxTeach，为学生初步学习机器人轨迹规划和运动学正逆解算法提供了离线仿真环境。试验界面如下图所示，可以完成如下功能：

❋ 配置DH参数    ❋ 设置各个关节角度    ❋ 设置末端位置   ❋ 编辑运动轨迹    ❋ 轨迹规划

单击Profile按钮，执行轨迹规划操作，经过正逆解运算后，直接得到6个关节角度曲线。

轨迹规划仿真软件sxTeach的后台运算采用M语言编写，且所有源代码均向用户开放。

2、机器人空间直线运动仿真实验

在完成机器人离线仿真实验的基础上，本平台更多地是使用真实的机器人实物本体作为控制对象。用户基于Matlab Simulink可快速完成机器人控制算法的开发，经自动编译后生成VxWorks实时系统代码，ZH实时代码部署到实时仿真器中运行，并通过多轴运动控制卡实现对机器人各关节的控制。

如下图所示，基于Matlab Simulink开发六关节机器人控制系统模型，包括了轨迹规划算法模型、逆运动学算法模型、单轴速度控制模型、六轴电机编码器反馈模型等。

在六关节机器人控制系统模型中，我公司主要提供了控制算法示例模型和运动控制的硬件模型库。用户可基于本实验示例，任意替换机器人控制模型的各个算法模块，在无需关注底层软硬件接口实现的前提下，快速验证自己的机器人控制系统算法模型。

附件：运动学与轨迹仿真与实物实验

五、选型配置

六、部分用户

❋北京交通大学   ❋河南科技大学    ❋青岛大学     ❋ZG科学院空间应用工程与技术中心    ❋洛阳师范学院    ❋上海理工大学   ❋上海工程技术大学❋北方民族大学   ❋中南大学  ❋北京航空航天大学