基于Matlab的开源六自由度协作机器人实验平台

dapmood

一、前言

针对机器人相关专业的教学需求，商飞信息科技开发出此开源六自由度协作机器人实验平台。  

该平台有以下几大特色

机器人本体采用自主设计的3Kg负载六自由度协作机器人，机器人每个关节集成电机、减速器和驱动电路，外观设计美观，适合实验室摆放。本体重复定位精度为±0.05mm，本体自重为17Kg，在保证运动精度和性能的基础上，提高学生实验过程的安全性。

控制器采用实时仿真控制器，软件上采用Matlab/Simulink编程，机器人运动学、动力学、视觉/力觉传感器采集、运动规划、系统集成等每一个实验例程的代码均可在Matlab/Simulink中编写。除了基本运动学控制之外，配合视觉传感器、力觉传感器、末端夹持器、气路等配件，能够组成多功能机器人工作站。

上位机采用Matlab软件的RealTime Explorer进行调试，可以实现完全可视化调试，实时显示Matlab/Simulink控制模型中的所有变量，并将其离线保存并在Matlab中绘图。

协作机器人每个关节均可在位置、速度、力矩三种模式下工作，在基本运动学教学实验的基础上可以进行动力学控制科研的开展。

为了编写本开源机器人实验平台的相关实验，商飞信息科技项目组参考《机器人学导论》（John Craig著）、《MODERN ROBOTICS MECHANICS PLANNING AND CONTROL》（Frank Park著）、《机器人操作的数学导论》（李泽湘著）等国内外机器人专业经典教材，参考ABB、发那科、库卡、安川、固高、卡诺普等国内外商用机器人控制系统的功能，设计了一系列实验，包括机器人软硬件组成认知实验、单轴伺服驱动器与电机调试实验、运动学正逆解实验、轨迹规划实验、多轴联动控制实验、基于视觉的抓取实验、基于力传感器的机器人碰撞检测实验、动力学控制实验、基于强化学习的机器人轴孔装配实验等。  对于本科生来说，只需要掌握基本实验即可，对于研究生来说，可以尝试动力学控制等高阶实验。

二

实验平台硬件组成

图1协作机器人平台组成

图2协作机器人平台实物   协作机器人平台主要部件和连接关系如图1所示，分为控制系统和执行系统两部分。控制系统由Matlab上位机和实时控制器两部分组成。机器人控制程序在Matlab上位机中编写、编译和调试，在实时控制器中执行。上位机和实时控制器之间通过Ethernet网络连接。执行系统主要由协作机器人本体，电磁铁（末端执行器）和配套的电气部件构成。   机器人本体采用六自由度协作机器人，标配本体额定负载3Kg（另有5Kg可选），机器人各关节集成电机、减速器、驱动电路，本体与控制柜仅需要一根电缆即可，结构紧凑。机器人抓取操作通过末端安装的电磁铁吸取具有磁性的物体完成。电气部件包括急停按钮、启动开关、开关电源、接线端子等。机器人实物图片如图2所示，下面详细介绍下关键部件的功能及参数。  

01

机器人本体

协作机器人本体技术参数如表1所示，本体为六自由度，额定负载3kg（另有5Kg版本可选），最大工作半径550mm，本体自重17Kg，本体结构紧凑，设计美观，当给定信号阶跃过大时会自动停机保护，非常适人机协同的场合。

机器人本体各个关节采用智能集成关节设计，每个关节将电机、减速器、驱动电路和编码器集成化设计，每个机器人关节通过Ethercat总线组网。

表1协作机器人本体技术参数

协作机器人本体及六个机器人关节正方向定义、机器人工作范围如图3及4所示。

图3协作机器人本体及机器人关节定义

图4机器人工作范围俯视图（左）及侧视图（右）  

02

实时控制器

实时控制器如图5所示，控制器参数如表2所示，该控制器有两个网络接口，一个用于连接Matlab上位机，一个用于Ethercat通讯控制协作机器人本体。

图5实时控制器

表2实时控制器技术参数

03

电气系统

电气柜接口如图7所示，为了方便调试，实时控制器和机器人本体采用了独立的上电方式。为了减小实验室噪音，在不必要的情况下，可以通过散热扇上电按钮关闭散热风扇。电气柜与外界只需接入220V交流电（总功率小于400W）和上位机网线即可。

图6电气柜接口说明

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