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基于MATLAB/Simulink編程dSPACE/Speedgoat開放式機器人研發平臺總體介紹
    發布時間: 2020-06-03 15:47    


典型案例

一、 現有機器人科研硬件平臺的對比

   對于進行機器人方向研究的科研工作者來說,合適的硬件平臺是驗證研究成果及撰寫高水平論文的基礎。但是機器人是一個相對廣泛的概念,從事機器人科研的方向也千差萬別,機器人是一個集機械、控制、電氣、計算機等多學科于一體的學科,沒有一個萬能的硬件平臺能夠滿足所有科研工作者的需求,因此對于科研工作者來說,必須根據自己的科研需求定制合適的機器人科研平臺。本篇文章從控制學科科研的角度出發,來介紹本公司研發的基于dSPACE和Speedgoat控制器的開放式機器人科研平臺。

1.1 常見機器人系統平臺對比

目前常見的機器人控制系統可以分為集成式商用機器人控制系統、基于嵌入式控制器開發的機器人控制系統和基于單板開發的機器人控制系統三大類。這三類機器人系統在實時性、開放性、易用性和穩定性上區別較大,他們面向的客戶群體也有顯著的區別,下面簡述一下三種系統的特點,并介紹面向機器人科研工作的本平臺的特點。

1.1.1 集成式商用機器人控制系統

1集成式商用機器人控制系統(發那科(左)和ABB機器人控制柜(右))

如圖1所示,集成式商用機器人控制系統以ABB、KUKA、安川、發那科這類國外廠商為代表,其控制系統專為本公司的機器人研發,機器人控制柜內驅動控制一體化較高,用戶不需要知道機器人的具體控制實現方式,只需要按照自己的應用需求進行系統集成即可。這類機器人控制系統性能穩定、在工業界應用廣泛。

這類機器人系統是面向機器人系統集成商開發的,其控制系統非常封閉,用戶往往只能進行位置規劃相關算法研究或者基于廠家提供的各種收費軟件包進行系統集成演示,難以進行機器人運動控制算法、動力學控制、視覺算法的修改。早期很多科研工作者在購買了此類機器人后,往往要發費很多精力對機器人進行改造以適用自己的科研需求。因此,此類機器人硬件平臺在科研領域的應用十分受限。 

1.1.2基于嵌入式控制器開發的機器人控制系統

 

2基于嵌入式控制器開發的機器人控制系統

機器人控制技術可以看做運動控制技術的一個發展,傳統的諸如數控機床等設備,常常采用嵌入式控制器進行控制系統的開發,如圖2所示,從左至右依次為美國PMAC運動控制卡、固高運動控制卡、固高機器人控制器、卡諾普機器人控制器和嵌入式工業PC。與第一類集成式商用機器人控制系統不同,這種機器人控制器作為機器人的核心部件可以適配多種不同廠家和類型的機器人。同樣,科研工作者也可以購買這類控制器,進行機器人平臺的搭建。這類控制器往往運行linux或者Wince等嵌入式系統,有自己的開發語言和庫函數,給用戶一定的自主權,能夠進行運動學等算法的實現,后期產品化也較為方便。但是從本質上,這類控制器還是面向工業應用的,對于科研工作者來說,要想熟練的使用各項功能需要經過一段時間的學習和摸索,從實際使用檢驗來看,如果科研實驗室沒有良好的技術積累和傳承,往往會出現由于學生畢業生的技術斷層的情況,每屆學生都必須花費幾個月時間重新學習控制器的編程方法,并且采用這類控制器進行實驗數據的采集和處理很不方便,不利于理論成果的快速實驗驗證和高水平論文的快速發表。

1.1.3基于單板開發的機器人控制系統

3基于單板開發的機器人控制系統

  除了以上兩種工業上比較成熟的控制系統外,在高校和科研院所,有些科研人員也基于嵌入式單板開發了機器人控制系統。這類機器人控制系統需要科研人員花很大精力在硬件設計上,往往會出現電磁兼容性和穩定性不足的問題,雖然能保證算法的開放性和實時性,但所有控制軟件都需要用戶編寫,工作量大,開發周期長,并且運算性能較低,板卡接口有限,只能用于簡單機器人的運動控制。

二、 dSPACE控制器和Speedgoat控制器在機器人控制中的優勢

dSPACE是德國的一家國際性高科技公司,成立于1988年。公司除在德國Paderborn設有總部以外,在底特律、巴黎和劍橋還設有分部。dSPACE公司產品研發的主要定位于:為控制工程項目的開發和測試提供軟/硬平臺。dSPACE系統是由dSPACE公司開發的一套基于實時半實物仿真技術的控制系統開發及測試的工作平臺。系統既包括軟件,又包括硬件。dSPACE系統的軟件與MATLAB/Simulink完全無縫連接,高度自動化的代碼生成/下載和友好的試驗/調試軟件環境使得應用開發過程快速易行;性能強勁的專用硬件具有高速計算和信號I/O能力,能夠應對各種控制工程和相關應用領域的開發和測試需求。使用dSPACE控制器可以將控制工程師從各種雜務中解脫出來,使他們在開發的初期可以全身心致力于控制算法的研究;在產品測試階段為測試工程師提供一個適應性強,界面友好的測試環境。dSPACE公司目前已擁有10000多家用戶,其中70%銷往德國以外的國家。dSPACE控制器基于嵌入式實時操作系統開發,具有良好的實時性、能夠完成位置環、速度環、電流環程序的編寫。

 

dSPACE控制器系列產品

Speedgoat公司是Mathworks聯營公司,于2006年由Mathworks前員工成立,總部位于瑞士伯爾尼,分部門位于Natick(美國波士頓)和德國漢諾威,在Mathworks和Speedgoat公司內部,僅實時仿真和測試部門就有100人的核心團隊,致力于專門提供針對Simulink環境的實時控制器解決方案。Speedgoat控制器已經在航空航天、汽車、能源、工業自動化、醫療和教育方面有著廣泛的應用。

 

speedgoat控制器系列產品

dSPACE和Speedgoat兩款控制器的作用類似于Arm或者DSP控制器的作用,可以作為一款萬能控制器去控制各類自動化設備,相較于目前市面上其他控制器,dSPACE和Speedgoat兩款控制器在科研領域具有以下優勢:

2.1 編程方便,易用性強

  dSPACE和Speedgoat兩款控制器的編程開發環境采用Matlab/Simulink,對于工科專業的學生,上手難度小,可以利用Matlab軟件的函數以及功能強大M語言和C語言進行編程,可快速的進行控制系統的搭建。

2.2 硬件接口豐富,性能穩定

  dSPACE和Speedgoat兩款控制器具有豐富的硬件接口,比如AD、DA、增量式編碼器、絕對值編碼器、旋轉編碼器、串口、CAN接口、Ethernet接口、Ethercat接口、普通PWM接口、三相橋式逆變專用PWM接口、數字量輸入輸出接口等,可以方便的外接智能相機、力矩傳感器、激光雷達等外部設備。用戶還可以根據自己的需求,選配不同數量的硬件板卡進行擴展。在航空航天和汽車領域,dSPACE和Speedgoat控制器經過數十年的驗證,性能相當穩定。

2.3 開放性強,十分適用于科研應用

  dSPACE和Speedgoat控制器可適配各類型串聯機器人/并聯機器人、AGV移動機器人(通過無線WIFI連接)、適配客戶定制或自己開發的各類型多軸伺服系統。可實現位置控制、速度控制和力矩控制,可集成力/力矩傳感器、計算機視覺傳感器、激光雷達、各類IMU等傳感器,機器人手眼標定算法(Eye-to/in-Hand),基于視覺的機器人分揀工作站,機器人碼垛、噴涂、打磨工作站,基于動力學的拖動示教、碰撞檢測算法,機器人力位混合控制、魯棒控制等先進控制算法,機器人應用工藝研究,客戶定制的其他Demo集成等應用。
三、 本公司開發的開放式機器人科研平臺簡介


如上圖所示,本公司基于dSPACE和Speedgoat控制器在機器人方向做了多項案例,包括3Kg負載串聯機器人平臺的視覺抓取、雙臂20Kg負載機器人打磨平臺、3Kg負載并聯機器人平臺、XY運動及電機對拖平臺、5Kg負載協作機器人平臺(采用Ethercat總線)、三軸數控機床平臺、以及移動操作機器人項目方案等。

接下來幾天,將會向大家逐一介紹具體案例方案,以及在進行機器人科研中如何按自己的需求選擇dSPACE和Speedgoat控制器及相應的IO配置。
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