多功能模塊化機器人科教實訓(xùn)平臺

一、平臺簡介

當(dāng)前機器人教學(xué)產(chǎn)業(yè)方興未艾，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率?最佳的方式是打通從原理教學(xué)到驗證實踐的快速開發(fā)路徑，融合機器人軟件設(shè)計、硬件設(shè)計、算法設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)等多個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)一體化開發(fā)。多功能模塊化機器人科研實訓(xùn)平臺就是用來支撐學(xué)生進(jìn)行工業(yè)機器人的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和示教編程實操訓(xùn)練的?？梢詾閷W(xué)生提供良好的機器人實驗平臺，為老師提供算法驗證的研發(fā)環(huán)境，為學(xué)科建設(shè)提供機器人專業(yè)綜合解決方案。

1.1現(xiàn)狀分析

l 智能制造工程專業(yè)：本專業(yè)培養(yǎng)具備掌握機械、自動化、智能化等智能制造相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識及應(yīng)用能力，能夠從事智能產(chǎn)品設(shè)計制造，智能裝備故障診斷、維護(hù)維修，智能工廠系統(tǒng)運行、管理及系統(tǒng)集成等方面工作的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

l 機器人工程專業(yè)： 機器人工程是一個多維交叉，多學(xué)科融合的新學(xué)科，與各種專業(yè)都有關(guān)聯(lián)。機器人的結(jié)構(gòu)部分需要機械專業(yè)來完成，內(nèi)部電路涉及電氣等專業(yè)，運動系統(tǒng)控制和感知規(guī)劃又與控制專業(yè)有關(guān)，智能感知、決策方面又涉及計算機、人工智能專業(yè)知識，同時材料科學(xué)、力學(xué)等專業(yè)也與機器人工程息息相關(guān)而機器人工程專業(yè)的多維交叉性又恰逢目前國內(nèi)自動化與智能汽車及其他相關(guān)“新四化”領(lǐng)域人才展需求。

如何在師資，場地、資金有限的條件下，設(shè)計、實施滿足多學(xué)科交叉融合、軟件化、數(shù)字化等趨勢需求的智能制造人才綜合實訓(xùn)平臺還是有相當(dāng)難度的。

1.2設(shè)計思想

l 針對融合化趨勢：需要打通感知、控制、 智能決策等多個環(huán)節(jié);

l 針對軟件化趨勢：新工科專業(yè)學(xué)生都應(yīng)該具有一定的軟件編程訓(xùn)練;

l 針對數(shù)字化趨勢：應(yīng)該具有一定的系統(tǒng)建模、仿真和三維呈現(xiàn)能力。

綜合實訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)該能在三個層級配合教學(xué)過程實現(xiàn)遞進(jìn)式的培養(yǎng)。

層級一是認(rèn)知和使用層面的“知其然”，可以分階段的了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機器人和智能制造系統(tǒng)的使用過程。

層級二是理論體系建立層面的“知其所以然”，可以了解與自己探索與使用過程相關(guān)的底層原理和技術(shù)試驗方法。

層級三是面向未來需求的“創(chuàng)未然”，創(chuàng)造尚未出現(xiàn)的機器人與智能制造系統(tǒng)。

1.3關(guān)鍵技術(shù)

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所(簡稱“沈自所”)作為長期從事機器人技術(shù)的專業(yè)研究所，不斷研發(fā)出新的智能機器人成果、擁有專業(yè)的科研團(tuán)隊和完整的國家級平臺資源。面向機器人人才培育主戰(zhàn)場，深入推動機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是我所積極響應(yīng)國策倡導(dǎo)，推動產(chǎn)學(xué)研結(jié)合帶動自身發(fā)展，促進(jìn)支柱產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新升級，引導(dǎo)培育新型教學(xué)裝備產(chǎn)業(yè)的必然之路。

沈自所研發(fā)的開放式機器人控制系統(tǒng)，通過MATLAB自動代碼生成方式實現(xiàn)一體化關(guān)節(jié)、機器人運動控制、機器人力位混合控制、機器人視覺集成、機器人人工智能等多層次實驗環(huán)境，打通了機器人算法仿真到真機部署的全流程。

為了加速機器人應(yīng)用型的人才培養(yǎng)，沈自所致力于打造機器人教學(xué)生態(tài)，整合國內(nèi)機器人科研研發(fā)力量，面向國內(nèi)高校，整個系統(tǒng)內(nèi)部深度開發(fā)，助理機器人與智能制造相關(guān)專業(yè)的平臺建設(shè)。

二、平臺特點

多功能模塊化機器人科教實訓(xùn)平臺以六或七自由度機械臂為被控對象，覆蓋了主流工業(yè)機器人品牌，包括ABB、KUKA、UR、珞石、Aubo等。采用模塊化設(shè)計理念，具備理實一體、虛實結(jié)合、開源開放、易學(xué)易用等特點，極大的提高師生的參與程度，為實驗室建設(shè)提供多用途、層次豐富、省空間、安全易用、開放可升級的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)。

2.1理實一體

平臺以機器人原理教學(xué)為基礎(chǔ)，包括機器人建模、運動學(xué)、動力學(xué)等內(nèi)容，通過算法開發(fā)、仿真實驗、真機實驗等過程，加深理論與實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)。以實操訓(xùn)練平臺為擴展，支持搬運、打磨、碼垛等工藝，以項目開發(fā)為驅(qū)動，強化平臺的實踐性和實用性。使學(xué)生達(dá)到理論聯(lián)系實際、活學(xué)活用的培養(yǎng)目標(biāo)，提升其實際應(yīng)用技能。

2.2虛實結(jié)合

支持在不啟動操作臂的情況下進(jìn)行算法的離線仿真驗證。支持虛擬機器人顯示，保證了控制效果的可觀察。

2.3開源開放

在機器人可視化集成開發(fā)環(huán)境中，通過抽象化通訊協(xié)議模型，統(tǒng)一控制代碼與物理仿真的軟件模型，在機器人系統(tǒng)設(shè)計層面隱藏不必要的細(xì)節(jié)，實現(xiàn)機器人系統(tǒng)應(yīng)用的一體化建模與管理。用戶可以開發(fā)自定義模型庫，用于機器人相關(guān)算法的積累。

針對開發(fā)的深度不同，提供了不同層級的開發(fā)，滿足不同層次的開發(fā)需求。深度開放，滿足定制化開發(fā)。

對于不同構(gòu)型和自由度的操作臂具有統(tǒng)一的操作接口。僅需要通過簡單的配置即可實現(xiàn)不同種類操作臂的快速適配。

2.4易學(xué)易用

Matlab/Simulink下建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實時仿真、算法測試，便于全流程控制和局部算法驗證。

高度集成的機器人編譯環(huán)境保證了模型的可靠性、準(zhǔn)確度及更小的仿真步長，提高了模型運算速度和控制精度。

涵蓋機器人基礎(chǔ)理論和高級控制算法庫，集成多種總線通訊模塊，建立運動學(xué)、動力學(xué)模型，兼具視覺、力覺等處理能力。

三、平臺組成與功能介紹

3.1總體構(gòu)成

多功能模塊化科教實訓(xùn)平分為三個柜體組成，分別是：主機臺、程控臺、氣動臺?？傮w尺寸為1500*1200*900，程控臺和氣動臺尺寸都為400*1200，主機臺尺寸為700*1200。

3.2模塊化機架

三個分別為獨立主體，可根據(jù)用戶提供定制化方案，單個主機臺可做原理科研教學(xué)，三個柜體合并在一起既可做實訓(xùn)又可做原理科研教學(xué)還可以拆分成產(chǎn)線，滿足學(xué)校定制化開發(fā)的需求。

主機臺主要放置原理教學(xué)模塊：

1、機器人;2、機器人快速原型控制器;3、相機;4、六維力傳感器;5、遙操作手柄;6、平面軌跡/立體軌跡模塊;7、標(biāo)定座模塊;8、氣動模塊等。

程控臺主要放置實訓(xùn)教學(xué)模塊：

1、PCL模塊;2、傳送到模塊;3、碼垛模塊;4、井式供料模塊;5、光柵模塊等。

氣動臺主要放置實訓(xùn)教學(xué)模塊：

1、靜態(tài)立庫模塊;2、打磨模塊;3、書寫模塊;3、光柵模塊等。

3.3 工業(yè)機器人

珞石x系列機器臂 XB7

產(chǎn)品基本參數(shù)

3.4機器人快速原型控制器

機器人快速原型控制器包括通信模塊、運動控制模塊和安全模塊，實現(xiàn)多種構(gòu)型機器人控制。可以快速搭建機器人研究或應(yīng)用平臺，支持機器人控制算法驗證及機器人應(yīng)用的快速開發(fā)。

特征優(yōu)勢

l 統(tǒng)一的操作接口、僅需要簡單的配置即可實現(xiàn)快速適配;

l 支持多機器人協(xié)同作業(yè)，支持工業(yè)OPC-UA通信;

l 運動控制支持CIA402協(xié)議，支持通用構(gòu)型的運動控制;

l 安全模塊包括支持分布式時鐘、支持冗余、支持熱插拔和支持運動狀態(tài)檢測等。

機器人模型庫

l 機器人單軸控制庫

l 機器人接口庫

l 機器人基礎(chǔ)控制庫

l 機器人3D顯示庫

l 傳感器接口庫

l 末端執(zhí)行器接口庫

被控對象示例

? 實現(xiàn)自主控制的多種被控對象，包括工業(yè)機器人、無人機、倒立擺系統(tǒng)。

? 多種不同構(gòu)型機器人的控制，協(xié)作7軸機器人、雙臂機器人、并聯(lián)機器人等。

? 支持c、c++、Matlab等多種語言開發(fā)，兼容通信、視覺、力覺等傳感器處理功能。

3.5實訓(xùn)模塊

(可根據(jù)用戶需求進(jìn)行針對性選擇或定制)

四、實驗與支撐課程

4.1機器人原理教學(xué)

基礎(chǔ)實驗：

高級實驗：

4.2機器人實訓(xùn)教學(xué)（選配）

4.3機器人視覺教學(xué)

4.4機器人科研創(chuàng)新

(1)機器人下棋

有兩臺工業(yè)機器人和一個棋盤組成組成，通過下棋博弈系統(tǒng)，由下棋AI測試與相機視覺感知、棋盤態(tài)勢識別、以及機器人運動控制共同進(jìn)行實現(xiàn)機器人對弈下棋操作。也可在V-rep進(jìn)行虛擬仿真實驗。

(2)機器人打乒乓球

通過視覺系統(tǒng)及人工智能算法基于機器人打球的權(quán)利。不論是教學(xué)或是訓(xùn)練都能提供可量化的表現(xiàn)，通過調(diào)參可以給出針對性的訓(xùn)練方案以及科研參數(shù)供給用戶去學(xué)習(xí)以及使用，將學(xué)習(xí)與訓(xùn)練提高效率。

(3)遙操作

“遠(yuǎn)程控制”工業(yè)機器人，通過多軸手柄來實現(xiàn)機器人操作。

·能夠進(jìn)行快速力反饋設(shè)備(主)及機器人(從)信息交互;

·精確的進(jìn)行主從設(shè)備位置、速度、力的相互轉(zhuǎn)換：基于運動學(xué)及動力學(xué)辨識補償實現(xiàn)。

·結(jié)合人工智能+視覺：搭建以智能硬件為依托，智能感知為輔助，智能控制為核心的新型遙操作機器人拓展思路。

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(4)亂序抓取

將數(shù)量較多的工件無序地放在料框里面，經(jīng)過視覺識別，要快速識別無序工件，提高工作效率。

通過三維結(jié)構(gòu)光面掃描技術(shù)，可以識別無序工件的位置，智能引導(dǎo)機器人定位抓取。抓取是工業(yè)機器人應(yīng)用的一個大方向，而之前線激光或者二維視覺引導(dǎo)抓取，有著自身的局限性。未來在更多場景下可以選用三維面視覺技術(shù)解決抓取難題。

(5)曲面打磨

通過末端打磨頭可實現(xiàn)全姿態(tài)力/位混合控制補償，適用任意外形工件的表面處理，并保證接觸力精確與穩(wěn)定，適配多種大型工業(yè)機器人。

審核編輯：湯梓紅