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  • 六自由度平台

    2018-01-28 21:38:03
    用simulink进行的六自由度平台的仿真。
  • 六自由度平台的模型

    2018-01-28 21:39:19
    六自由度平台的模型,从沐风上转载过来的。很不错的资源,建议大家下载。
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  • SImulink六自由度平台仿真simmechanics-work.rar 希望对大家有用!我也是新:lol 手!大家:lol 多多交流。
  • 利用opengl三维仿真,对六自由度平台的运动进行真实的仿真实现
  • 六自由度并联平台

    2017-11-11 20:40:05
    六自由度并联平台六自由度并联平台六自由度并联平台
  • 六自由度度平台研究

    2013-05-13 15:00:26
    对于六自由度度平台的研究,使其更容易理解及其应用。
  • 六自由度并联机构设计【六自由度并联机械手运动平台
  • 为了提高液压六自由度平台的建模精确度,改善控制效果,采用AMESim和Matlab两种软件以及PID控制技术对平台单通道系统进行了联合仿真。仿真结果表明,利用AMESim与Matlab各自优势的联合仿真技术具有良好的仿真效果,...
  • 六自由度样本

    2012-11-27 14:15:33
    力姆泰克的六自由度平台样本,伺服电机电动缸驱动摇摆试验台,力姆泰克制作较小负载的
  • 本文提出了一种压电自由能采集器,该自由能采集器利用六自由度并联机构和立方结构实现了六自由度六自由度)振动能量的采集。 它由一个作为上层平台的标准质量块,六个柔性支腿和两个球形接头(通过一个单自由度...
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  • 设备组成 Etest_CPS系统主要由硬件部分与软件部分组成。硬件部分由PCI机箱、PCI控制器以及各种PCI接口板卡组成。软件部分由测试设计软件模块、测试执行服务软件模块、测试执行客户端软件模块、设备资源管理软件模块...

    设备组成

    Etest_CPS系统主要由硬件部分与软件部分组成。硬件部分由PCI机箱、PCI控制器以及各种PCI接口板卡组成。软件部分由测试设计软件模块、测试执行服务软件模块、测试执行客户端软件模块、设备资源管理软件模块等主要软件模块以及曲线数据生成、CRC插件生成与诊断、测试数据记录与查看、应用协议生成工具、应用协议模板管理、测试报告生成等系列工具组成。

    各模块主要功能

    (1)硬件部分

    Etest硬件部分采用标准的机柜形式,主机采用PCI工业控制计算机,各类接口板块采用PCI总线的接口板卡。主要硬件部分的指标如下:

    ① 机箱

    标准19" 4U高桌面机箱
    支持PCI板卡,10个插槽
    采用直流风机及一字型风道特别设计的通风槽
    机箱底部4个80×80×25(mm)12V风扇

    ②控制器

    芯片组:Intel GM45 + ICH9M
    内存:8GB DDR III 1066MHz,用户可自行扩充。
    硬盘:500GB用户可拆卸更换

    ③ARINC429模块

    支持通道配置:发送及接收通道各2个
    支持100K/50K/48K/12.5KBPS及用户自定义波特率
    支持FIFO和Schedule两种发送模式
    支持SDI和Label两种接收过滤模式
    支持Time Stamping
    支持中断、外触发

    ④1553B模块

    完全遵守MIL-STD-1553B协议
    双通道及有BC、RT、BM多功能
    支持1M/2M/4Mbps及用户自定义波特率
    每通道为双冗余的A、B通道
    帧间隔和消息间隔时间可软件设置
    支持时间戳,分辨率1μs
    支持自测试、错误注入
    支持中断、支持外触发

    ⑤ RS232/422/485串口模块

    通讯协议:异步RS232/422/485可软件设置
    通道数:RS232/422/485各8路
    波特率,根据用户需求定制,最高可达8M
    数据位长度、停止位、校验位软件可设置
    两种数据接收方式:协议接收和透明接收
    协议接收时,可设置接收帧头
    透明接收时,可设置过滤
    提供FIFO空、满中断标志
    接收FIFO:共32M RAM空间
    发送FIFO:每通道2Kbyte的发送FIFO
    支持中断、外触发

    ⑥ CAN模块

    兼容CAN2.0A和CAN2.0B协议,支持标准帧和扩展帧;
    通道数:4
    支持双向传输,CAN发送、CAN接收
    支持时标,精度1μs
    DC2500V电气隔离保护
    支持数据帧,远程帧格式;
    CAN控制器波特率在5Kbps-1Mbps之间可选,可配置;

    ⑦ AD模块

    64路单端/32路差分输入
    单通道采样率最高1MSPS
    输入范围可选±100V/±40V/±10V
    ADC分辨率:16bit
    量程档可程控
    32KByte/通道 FIFO
    外触发功能

    ⑧ DA模块

    64通道输出
    DAC分辨率:16bit
    输出电压:±10V
    输出精度:0.2%FSR
    输出阻抗:10Ω
    最大驱动电流:10mA/通道

    ⑨ 光隔离离散量I/O模块

    64通道光隔离离散量输入/输出
    每通道光电隔离
    开关量支持28V/OPEN,GND/OPEN
    支持宽输入电压范围-60V~+60V
    支持最大开关电压±60V
    支持自恢复断路保护电流

    (2)测试设计软件模块

    测试设计软件模块对待测系统及其对外接口进行建模,进行协议编辑及分析、创建测试监控、建立硬件规划、创建及管理测试用例,确定测试要准备的接口设备数量。其主要功能包括:
     进行测试方案管理,针对测试方案的操作有:新建方案、打开方案、保存方案。
     每个测试方案中,可以包含一个到多个测试项目,多个测试项目的存在使得每个测试方案可以完成多个测试项目的设计,便于开展多个配置项到系统的集成测试。
     测试项目有新建、重命名、删除和查看属性的操作。
     用图形化的方式对被测系统、外围系统及被测系统对外接口进行描述,包括接口数量和接口类型,包括RS422、1553B、CAN、AD、DA、DI、DO、CT、Freq-CT、TCP等类型;能够设定接口参数。
     创建接口协议,并使用协议描述语言进行协议描述,包括报文包头、包尾、校验等,描述各个字段类型及编码方式,以及分支、循环等结构。
     为了适应各种数据通信的需要,协议字段具有丰富的类型,包括:整形(无符号和有符号,8位/16位/32位/自定义长度)、浮点型、布尔类型、条件语句类型、分支语句类型、计算字段、校验字段、数组字段。
     创建测试监控,描述实时数据监控的监控内容和显示形式,并可设定报警条件。
     用户可以在测试监控模块添加测试监控并在监控面板上添加数据监控仪器,通过不同的类型监控仪器绑定协议字段或者字段按照某种公式运算的结果,从而在运行时通过监控仪器指针或数值的改变直观地显示出测试通讯时数据的变化。
     测试监控工具栏管理所有的测试监控仪表,包括数字表仪器,圆盘仪表,曲线图,枚举类型等。选择合适的监控仪表,将其拖拽到监控面板的合适的位置,即可添加该监控仪表到监控面板上。用鼠标拖拽监控仪表的边缘,即可调整其大小。
     打开“属性”标签页,可以修改测试仪表的属性。其中最重要的属性是“协议段”属性,表明了该监控仪表的数据来源。
     通过“协议段”属性右侧的展开按钮,可以打开“绑定数据协议”对话框,其中显示当前项目中的仿真模型中的所有的协议和协议段。
     测试仪表的数据源,既可以是一个协议字段,也可以是若干个协议字段组成的公式。
     在“绑定数据协议”对话框下部的输入框中输入协议字段,或协议字段组成的公式。双击需要的字段名称,可以添加该字段名称到自定义公式的光标所在位置。
     创建测试硬件规划,确定测试需要使用的接口板卡设备,以及接口板卡设备对应的资源。
     创建测试用例,并提供测试用例的管理方式,包括分组、删除、重命名等。
     创建测试用例的内容,包括使用测试脚本描述测试的过程,包括变量定义、条件语句、循环语句、输出语句、数学运算、函数定义等。
     提供测试脚本的扩展接口,能够实现向待测件的数据交互和数据自动解析,将比特流解析成具有意义的用户数据。
     提供时序控制的方式,能够按照一定的时序进行规定的操作。
     提供运行环境设置方式,设置测试运行期间的仿真模型服务器、数据中心服务器、测试执行服务器和客户端的IP地址和端口号。
     提供对标准输入输出监控进行配置的功能,确定标准输入输出监控的类别配置。
     提供测试脚本执行方式,能够运行用户选择的测试脚本;用户能够选择终止脚本运行。
     能够查看输出信息及错误信息。

    (3)测试执行服务软件模块

    测试执行软件模块为自动化测试执行软件的主要部分,与客户端软件相配合,驱动测试数据,进行自动化测试执行。主要实现以下功能:
     提供进程调度服务后台运行程序,在进程调度代理的帮助下,根据测试设计软件的设计,在PCI控制器上启动测试执行、客户端、服务器等进程,并通过进程调度服务协调各个软件的运行逻辑。
     提供仿真模型服务器后台运行程序,通过仿真模型服务器解析测试设计所建立的仿真模型,实现测试执行时数据收发的仿真解析服务。
     提供数据中心服务器后台运行程序,在测试用例执行过程中,在数据中心服务器中集中统一处理通道中的收发收据,确保数据监控的分布式实现。
     提供用例服务器后台运行程序,解析处理测试设计中所编写测试用例的执行过程。
     提供标准输入输出监控窗口程序,可以显示仿真模型服务器、数据中心服务器、客户进程以及用例服务器运行过程中的调试信息。
     解析测试脚本中的变量定义、条件语句、循环语句、输出语句、数学运算、函数定义等语句,进行相应的操作。
     解析测试脚本扩展接口,实现向待测系统进行数据发送/接受和数据解析。
     解析测试脚本,按照时序控制要求进行操作。
     向客户端软件发送的测试数据注入包;接收客户端软件所发送的测试数据输出包。
     按照用户要求即时停止测试用例的执行。
     记录并显示测试用例的执行结果。

    (4)测试执行客户进程及数据监控模块

    测试执行客户进程及数据监控模块运行PCI控制器上。主要实现以下功能:
     提供设备驱动功能,实现1553B、CAN、RS422、RS232、AD/DA/DI/DO等接口板卡的驱动能力。
     测试执行客户软件同测试执行软件均运行在PCI控制器中,采用内存机制交换数据。
     同被测件通信使用测试设计软件中配置好的通信参数。
     提供方便的硬件板卡扩展方式,方便新的硬件板卡的集成。
     接收来自测试执行软件发送的测试数据注入包,进行数据格式的转换,并通过通信板卡发送到待测件。
     接收来自被测件发送的测试数据输出包,并转发到测试执行软件。
     登录测试服务软件后,显示测试设计软件设计的全部测试监控界面,可选择一个或多个测试监控面板进行测试监控。
     运行指定的测试监控,在测试执行过程中实时显示指定的测试数据,提供数字仪器、仪表盘、枚举项、曲线图等数据监控方式。
     可以实时显示测试执行中的测试数据;
     可以以解析后的协议数据格式显示测试数据,也可以以二进制、八进制、十六进制显示测试数据。
     可以设置数据过滤条件,实现界面显示特定数据的功能。
     可以设置数据报警条件,当出现某种特性数据时,软件以醒目的形式显示出满足报警条件的数据。
     可以进行数据查询,可以查询某个时间段的报文,也可以查询某个协议字段的数据。
     可以对指定的数据进行统计,也可以查看数据曲线图。

    (5)设备资源管理软件模块

    设备资源管理软件模块提供了系统支持的测试设备及通道的管理功能,提供了系统设备扩展的接口。其主要实现以下功能:
     添加、删除系统设备。
     修改系统设备的数量。
     添加、删除设备包含的通道。
     修改设备包含的通道的数量及类型。
     保存设备信息到设备资源文件中,在测试设计软件中使用。

    (6)辅助工具

    工具软件提供了嵌入式系统测试时部分常用的软件工具,主要包括以下软件模块:
     曲线数据生成工具;
    具有曲线数据编辑、坐标选择、曲线数据读取、曲线数据存储等功能,配合测试执行软件,提供一种测试数据生成手段。
     应用协议接口调试助手;
    具有应用协议解析功能的串口(RS232/422/485)调试助手,可实现串口(RS232/422/485)接口的设置、数据收发,接收时自动解析为上层应用量,发送时自动按照应用数据形成接口数据包。
     测试数据记录与查看工具;
    在测试执行时,可记录测试执行中的数据,供测试执行结束后查看与分析,包括协议选择、数据过滤、报警条件设置功能。
     应用协议生成工具;
    提供应用协议的表格化编辑功能,可以设置协议的字段组成、字段类型、字段默认取值等。
     协议模板管理工具;
    将所编写的应用协议存储为协议模板,以实现协议复用,可实现模板库的管理,包括添加模板、导入模板、编辑模板等功能。
     CRC插件诊断器与CRC插件生成器
    提供CRC校验算法的设计功能,可设计自定义的CRC算法,诊断其算法正确性,并最终形成协议描述语言中的CRC字段算法插件。
     测试报告生成工具
    具有测试报告模板编辑与管理与测试报告自动生成功能。

    展开全文
  • 提出利用双目视觉系统检测六自由度大载荷实验平台的位姿。首先,采用时空联合的分割算法提取运动目标并由运动目标上不共线三点描述当前时刻运动平台的位姿;然后,根据运动平台负载大、惯性大的特点,对相邻时刻的...
  • 摘 要:介绍了在交互式C语言开发平台LabWindows/ CVI 下,利用OpenGL 图形系统的功能来设置LabWindows/ CVI 与OpenGL 的图形接口、建立OpenGL 光照、视图和渲染描述表及利用OpenGL基本图元建立六自由度机器手的三维...
  • 六自由度机械臂的驱动

    千次阅读 2017-03-13 16:56:36
    先做静态控制,所以小车底盘啊,轮子啥的先不要。1 BOM清单1.友善之臂 Nanopi2作为上位机,安装ROS机器人操作系统2.msp430作为下位机,实现对舵机等硬件设备...机械臂六自由度机械臂2 软件平台msp430 LaunchPad 的Ardu

    先做静态控制,所以小车底盘啊,轮子啥的先不要。

    1 BOM清单

    1.友善之臂 Nanopi2

    作为上位机,安装ROS机器人操作系统

    2.msp430

    作为下位机,实现对舵机等硬件设备的控制

    具体控制方案见下文
    3.电源(5v)

    为下位机供电,因为5v-3.3v的电源模块并不能驱动起来

    4.舵机驱动板

    16路模块 PWM/ 舵机驱动板

    5.机械臂

    六自由度机械臂

    2 软件平台

    msp430 LaunchPad 的Arduino开发平台
    下载自官网
    这里写图片描述
    初步使用可参考:http://bbs.eeworld.com.cn/thread-370559-1-1.html

    3 机械臂的驱动

    1)舵机与控制原理
    舵机主要是由外 壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由控制器发出PWM(脉冲宽度调制)信号给舵机,经电路板上的IC处理后计算出转动方向, 再驱动无核心马达转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器(电位器)返回位置信号,判断是否已经到达设定位置,一
    般舵机只能旋转180度。
    舵机有3根线,棕色为地,红色为电源正,橙色为信号线,但不同牌子的舵机,线的颜色可能不同,请大家注意。
    2)servo类介绍
    servo类下有以下成员函数
    attach()//连接舵机
    write()//角度控制
    writeMicroseconds()//
    read()//读上一次舵机转动角度
    attached()//
    detach()//断开舵机连接
    3)普通舵机有3根线:GND(黑)、VCC(红)、Signal(黄),一般情况下,我们建议为舵机单独供电,此处实验为了图方便,用msp430为舵机供电。
    4) 下载以下例程(程序可以在IDE>File>Examples>Servo>Sweep中找到

    // Sweep
    // by BARRAGAN <http://barraganstudio.com> 
    // This example code is in the public domain.
    
    
    #include <Servo.h> 
     //创建一个舵机控制对象
     //使用Servo类最多可以控制8个舵机 
    Servo myservo;  // create servo object to control a servo 
                    // a maximum of eight servo objects can be created 
    //该变量用于存储舵机角度位置
    int pos = 0;    // variable to store the servo position 
    
    void setup() 
    { 
    //该舵机由单片机第九脚控制
      myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object 
    } 
    
    
    void loop() 
    { 
    //从0~180度运动
      for(pos = 0; pos < 180; pos += 1)  // goes from 0 degrees to 180 degrees 
      {                                  
      // in steps of 1 degree 每次进步一度
        myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 指定舵机转向的角度
        delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 等待15秒让舵机到达指定位置
      } 
      for(pos = 180; pos>=1; pos-=1)     // goes from 180 degrees to 0 degrees 
      {                                
        myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 指定舵机转向的角度
        delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 等待15秒让舵机到达指定位置
      } 
    } 

    先驱动了一路舵机,六路待续…..

    展开全文
  • 自由度导航系统的实现 学习目标: 实施无味的卡尔曼滤波器以估计硬件平台的姿态和高度 使用四元数力学提高对万向节锁定的鲁棒性 了解如何使用异步pub-sub库MQTT 硬件平台: IMU = MPU6050 超声波传感器= HC-SR...
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    概述

           

    中国制造 2025 是中国政府实施制造强国战略的第一个十年行动纲领,是全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署,其中明确指出了围绕工业机器人创新技术的重要地位。目前工业机器人技术已经广泛应用在汽车加工、食物分拣、自动化生产装配等领域。工业现场通信技术是智能制造业的核心技术之一, 随着智能制造业的快速发展,对节点间通信的实时性、可靠性以及通信带宽提出了更高的要求。工业以太网主站可以在多种平台上运行,只需硬件提供一个标准的网口。因此,成本低廉、简单灵活、高速实时的嵌入式平台在硬件上可以作为工业以太网主站使用,从而提供一种新的网络化、信息化、智能化的解决方案。

    传统的硬件平台采用 dsp对图像进行处理,其处理速度较慢,无法满足图像处理实时性要求,限制了机器视觉的应用。FPGA作为一种硬件平台,用于数字图像处理,具有速度快、集成度高、可靠性强等优点。为了提高图像的质量和增强系统处理图像的实时性,本文提出了一种伊瑟特的六自由度机器人视觉伺服控制系统,将摄像头集成到基于 Zynq的伊瑟特主站上,提高了视觉伺服的实时性.经测试,该平台能够对视觉检测目标的变化做出及时的反应,为工业自动化提供了一套切实可行的方案。

    本文针对基于机器视觉的工业机器人进行研究,主要工作包括以下几点:

    (1)设计了基于 伊瑟特的六自由度机器人视觉伺服控制系统总体方案。以 ESR6B机器人、Zynq和摄像头为硬件基础,搭建了六自由度机器人视觉平台。

    (2)设计了基于 FPGA的视觉检测方案。利用 西林提供的 HLS和 CV库对从摄像头采集到的像素流进行实时处理,并设计了一套识别物块坐标位置的程序流程,便于 伊瑟特主站实时地读取物块坐标值,处理后的图像通过 HDMI接口输出到显示屏。

    (3)完成了 伊瑟特对伺服的位置控制。利用 Zynq的 Pl层进行了伊瑟特以太网帧的收发和主站时钟的校准,在 PS层运行 苏姆的裸机程序, 并将六自由度串联机器人逆解算法移植到主站代码里,进行机器人末端位置对于视觉反馈的实时跟随控制。

    (4)通过实验验证了本设计的对物块识别的准确性和实时性,并使用自主研发的六自由度串联机器人进行实际的运动控制实验。实验证明,机器人可以实时地跟随屏幕上显示的物块运动。

     

     

    主要创新点

     

    本设计难点在于如何提高视觉检测的实时性和机器人运动控制的实时性,创新地采用了Xilinx的 Zynq异构处理器,将 FPGA作为视觉处理的主要单元,并将 伊瑟特主站移植到 Zynq平台,这样,在一块芯片里就完成了实时的视觉检测和运动控制.本设计采用 HLS进行视觉处理,对代码进行了优化,使得整个视觉处理模块的延时仅为 18.6ms。同时,在通信方面,本设计使用 FPGA进行 伊瑟特帧的收发和校验,使得 直流电同步周期抖动稳定在小于 1U时间.实时的视觉检测和运动控制在工业机器人视觉伺服中有着广阔的应用,本实验将集成摄像头的 伊瑟特主站应用在自主研发的六自由度串联机器人上,将机器人运动学算法编写入 伊瑟特主站,使得机器人可以随着摄像头检测到的物体做实时的运动.实验结果表明,本设计的实时性远大于 pc平台的视觉处理,并完成了沿机器人 X 轴方向的实时视觉跟随运动.

     

     

    系统架构

     

    1. ESR6B 机器人硬件系统设计

    ESR6B机器人是自主研发的机器人,是典型的多自由度串联机器人,机器人本体如图 2-1 所示。

    图2-1 ESR6B机器人本体

     

    基于视觉引导的机器人硬件系统主要由机器人本体、控制台、Zynq和视觉硬件等组成,如图 2-2 所示。

    图 2-2  系统总体方案

     

    2. ESR6B 机器人基本设计参数

    机器人有 6 个自由度,其主要技术参数包括自由度、负载能力、重复定位精度、定位精度以及工作空间等,这些参数是反映机器人性能优劣的主要指标。ESR6B 机器人的基本技术参数如表 2-1 所示。

    表 2-1 ESR6B 机器人基本技术参数

     

    3. 机器人视觉系统硬件平台搭建

    机器人视觉系统的硬件选择直接影响图像采集,图像的质量和后期的处理,并影响整个控制系统的实时性,所以应根据要求和这些硬件性能,严格选择硬件。基于伊瑟特的六自由度机器人视觉伺服控制系统主要包括摄像头、Zynq、存储、显示、通信等模块。

    Zynq是 Xilinx 设计的一种包含 FPGA+ARM的异构芯片,在 Zynq系统芯片中,包含了基于 艾尔M  的处理系统(PS)和可编程逻辑单元(PL)。伊瑟特主站和 linux操作系统运行在PS端,图像算法在 FPGA进行硬件加速,放在Pl端。通过阿希总线互联技术将 FPGA与手臂整合在一起,从而充分发挥出两种器件结构的优势。

    摄像头的主要特性参数有:分辨率、帧率和色彩空间等.根据这些特性参数, 选择满足实验需求的摄像头。本系统设计中,选取型号为 OV 5640的 CMOS类型数字图像传感器,该传感器支持输出最大为 500 万像素的图像 (2592x1944)分辨率) 、支持使用 VGA时序输出图像数据,输出图像的数据格式支持YUV(422/420)、YCbCr 422、RGB 565以及 JPEG格式,本次设计采用 RGB 565格式数据读取。

    图 2-3 OV 5640摄像头

     

    本设计中,图像数据由 OV 5640摄像头采集,然后由 FPGA对其进行图像预处理和坐标检测,数据流经 VDMA通过 HP0口进入 DDR 3内存,然后再通过HP0返回,经过 VDMA、最后通过 HDMI接口输出视频。

    光源的主要参数有:对比度、亮度、表面纹理和光源均匀性。根据上述光源的特性,选择上海东冠科技的环形光源,型号为Rin-90-6R-10 W、光源为白色的发光二极管。实物图如图2-4 所示。

    图 2-4 环形光源实物图

     

    基于伊瑟特的六自由度机器人视觉伺服控制系统如图 2-5 所示。

     

     

    设计演示

     

    视觉伺服性能分析 

    视觉伺服要求从对目标的识别到控制之间的延时要很短,才能体现控制的实时性.本文设计了一组对照实验,方案一为采用在 Zynq  板上集成摄像头的伊瑟特主站,方案二为pc机连接USB摄像头,并采用广告将坐标数据传输给 TwinCAT主站的方案.两种方案使用相同的图像处理算法,主站都处于CSP模式下。

    图 4-5  性能测试平台

     

    延时计算平台为STM 32+TFT彩屏和基于XMC 4300的伊瑟特步进从站, 当屏幕开始刷新红色时,定时器开始计时,当接收到步进从站的脉冲时停止计时, 对比方案一和方案二的延时(单位 我们),如图 4-6 所示。

    图 4-6  方案对照

     

    可以看出本设计的检测延时平均仅为58毫秒,而方案二却长达 2.48s,在运行相同图像检测算法情况下,FPGA的延时更低,同时由于本设计将摄像头直接集成到主站板上,图像传输延时更低,成本更低。

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  • 整机的自由度数为55:单腿6自由度(x4)+ 单臂7自由度(x2)+ 上身1自由度(Yaw方向)+ 头部相机3自由度 + Schunk灵巧手9自由度 + HERI II Hand的4自由度; 整机的最大移动速度在1.6 m/s,主动轮直径在15.6 cm。 ...

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    作者在博士生期间参与了欧盟CENTAURO项目(Horizion 2020, No. 644839),该项目于2018年11月结束。作者将会根据如下两篇paper来大致介绍我们在这个项目中取得的一些成果,同时也会分享目前存在的问题和所面临的挑战,希望能够大家提供一些有益的借鉴。

    1. T. Klamt, D. Rodriguez, L. Baccelliere, et.al., F. Porcini, Z.Ren, F. Schilling, et.al., N. G. Tsagarakis, and S. Behnke, "Flexbile Disaster Response of Tomorrow, Final Presentation and Evaluation of the CENTAURO System", IEEE Robotics and Automation Magazine (RAM), 2019.
    2. N. Kashiri, L. Baccelliere, L. Muratore, A. Laurenzi, Z. Ren, E. Mingo Hoffman, G. Rigano, M. Kamedula, J. Malzahn, S. Cordasco, P. Guria, A. Margan, and N. G. Tsagarakis, "CENTAURO: A Hybrid Locomotion and High Power Resilient Manipulation Platform", IEEE Robotics and Automation Letters (RAL), 2019.

    此文是整个系列文章的第一篇,即关于CENTAURO机器人的硬件平台搭建的。

    在开始具体的介绍之前,分享如下的视频让大家大致了解项目的背景和初期成果(视频成果截至17年底,18年后续有相应硬件的改变,诸如左手末端执行器及相应电子设备的更换):

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    H2020 CENTAUROhttps://www.zhihu.com/video/1121495623878336512

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    CENTAURO“半人马式”的设计动机

    CENTAURO机器人采用了下身【四足腿轮混合】+上身【仿人形双臂】的设计理念,如图1——这实际上是在现有的技术条件下找到一个最具有效率的、针对实际任务的解决方案,但并不能说是在未来的一个最优解。

    对于下身【四足腿轮混合】的设计,我们的考虑主要是源于2015年Darpa Robotics Challenge(DRC)的决赛:

    1. 腿足式机器人对于立体空间的适应性要优于轮式(诸如在DRC比赛中,机器人需要完成上下车辆的运动);
    2. 四足机器人的移动稳定性要优于双足,且能耗、成本等要优于六(多)足;
    3. 腿轮的混合设计对比单纯的腿足有着极大的移动效率(DRC的前几名均采用腿轮式)。

    而对于上身【仿人形双臂】的设计,我们的考虑如下:

    1. 扩大机器人的末端操作空间(双臂皆为7轴);
    2. 丰富机器人的末端操作能力,尤其是双臂协同操作(Dual-Arm Manipulation),在很多实际的救灾操作任务中,单臂是难以完成的(后续的文章会有相关Demo);
    3. 帮助操作人员在陌生环境中更好地理解机械臂操作的运动学限制——CENTAURO项目上层的AI是基于驾驶员,驾驶员需穿戴外骨骼进行遥操作,因采用仿人的7轴机械臂设计,做到和人类手臂的运动学尽可能地近似。

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    图1:CENTAURO机器人(未安装末端执行器)。

    CENTAURO的整体硬件配置

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    图2:CENTAURO机器人整体硬件配置。

    关于CENTAURO机器人整体的硬件配置,可以事先参考图2做一个预览。一些大致解读如下:

    • 多圈式的全向轮设计

    在切换至行走步态时能够提供峰值28 Nm和最大持续9 Nm的自锁扭矩,最大转速在194.8 rpm(20.4 rad/s),外圈采用的弹性材料是UPX8400(60 A Shore);

    • 基于两款不同机械手的末端执行器

    右手是商业化偏向全驱动方案的雄克灵巧手,左手是基于欠驱动方案的 HERI II Hand

    ,整体考虑是针对灵巧、低负载的操作采用雄克灵巧手,而针对高负载、高冲击的操作采用欠驱动的HERI II Hand。同时两只手在和机械臂相连接时,都集成6维力矩传感器,在右手上还集成了额外的RGB-D相机(在机械臂末端操作的很多情况下,存在大量头部相机的视野死角);
    • 传感器的硬件配置

    为了更好的感知外界环境与机器人本身的运动姿态,在机器人的头部集成了3D激光雷达(Velodyne Puck)、RGB-D相机(Kinect V2)与RGB相机(PointGrey BFLY, QTY: 3)。为了确保更加广阔的视野空间,3D激光雷达和深度相机的基座本身具有主动控制的自由度,详细可见图3。同时为了规避视觉死角,除了上一点提到的右手手臂的RGB-D相机,机器人躯干底部还安装了2台RGB相机以获取机器人足部的视觉信息。

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    图3:集成相机的CENTAURO头部设计。

    除了视觉感知以外,机器人躯干上还集成了来自VectorNav VN-100的IMU,且每个关节驱动器有一维的扭矩反馈信息,四肢末端均集成了6维力/力矩传感器。

    • 电池和WIFI模块

    CENTAURO项目要求机器人能够不带任何电缆进入特定场景。机器人所携带的电池来自AMICELL公司,没有子型号,为定制电池,其相关参数如下:

    电池容量:34.6 Ah,额定电压:48 V,最大电流:80 A,电池重量:7.5 kg,正常能够支持机器人工作约2小时(项目实测)。

    WIFI模块是采用的Netgear Nightawx X10 R9000,这款路由器的体型和重量都摆在那里,属于工业级,高传输速度、高带宽、高处理速度且覆盖范围广,项目中实测40米左右的开阔空间几乎无通信上的延时和丢包(可能有效距离会更远,但目前没测试到)。

    • 机载计算机模组/计算机

    CENTAURO搭载了如下3台计算机:

    1. Congatec conga-TS170(计算机模组):低层实时运动控制;
    2. Zotac-EN1070K(Mini PC):处理视觉和IMU信息,相关感知;
    3. Zotac-EN1070K(Mini PC):上层运动控规划。

    CENTAURO的整体几何尺寸与自由度分布

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    图4:CENTAURO机器人的整体几何尺寸(CAD)。

    关于CENTAURO机器人机械本体上实现的几何尺寸可参考图4。

    • 机身的高度在不同配置下通过高度在112-171 cm;
    • 机身的最小通过宽度和长度均在61 cm;
    • 机身的自重在92 kg (包括7.5 kg的电池);
    • 整机的自由度数为55:单腿6自由度(x4)+ 单臂7自由度(x2)+ 上身1自由度(Yaw方向)+ 头部相机3自由度 + Schunk灵巧手9自由度 + HERI II Hand的4自由度;
    • 整机的最大移动速度在1.6 m/s,主动轮直径在15.6 cm。

    CENTAURO的关节驱动模块

    CENTAURO机器人采用的是来自IIT TreeRobotics

    的模块化关节驱动模组,皆为弹性串联驱动器(SEA原理,通过弹性体的偏转测量扭矩,Encoder base方案),按照不同扭矩大小的需要,分为如下图的5个系列:

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    图5:搭建CENTAURO机器人采用的关节模块化驱动器。

    这5款驱动器按照颜色分类,从左至右为Red-Yellow-Orange-Dark Greed-Light Green,其相应的Specification如表1:

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    表1:搭建CENTAURO机器人的5款驱动模组的参数

    CENTAURO的整体关节(臂/腿)设计

    首先在整个机器人55个自由度和采用关节模块化驱动器的基础下,各个具体的关节采用的驱动器模组类型可参见表2:

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    表2:CENTAURO各个关节采用的驱动器型号及关节运动范围。
    补充: 头部的商用驱动器采用的Maxon DC22X,减速比138:1

    基于表2,各关节驱动器的选型主要是根据机器人进行一系列运动时所需要的输出扭矩大小(当然某些关节也要考虑结构强度而采用扭矩冗余的驱动模组),在一系列的运动仿真之后,我们得到了如下图6的扭矩分布:

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    图6:CENTAURO各关节所需扭矩分布图。

    在确定各关节的具体驱动器选型后,整体关节即单腿和手臂的设计如下图7。在图7(a)中,大腿关节采用了铝合金外壳-内部缓冲泡沫填充的设计,满足轻量化设计的目标,在图7(a)右侧的截面图中,黄色区域为电机-减速箱-弹性体,蓝色区域为相应驱动电路,而红色区域为散热风扇 。图7(b)展示的为较为传统的7轴机械臂设计以及其相应的外骨骼-细胞式的Link结构设计。基于中空走线的SEA关节模组驱动器,就带来了几乎无外置电缆走线的外观良好、安全的机械臂/腿设计。

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    图7:CENTAURO的整体关节设计,(a)单腿,(b)手臂及(c)外骨骼式细胞Link结构设计。

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    整体的硬件平台搭建的文章就写到这里,应该算是做到基本概括,如果有遗漏的后续会再补充。另外,因为整体内容较多较杂,所以不能涉及到具体的细节,同时可能文本中也会有相应的错误,大家发现也感谢及时留言给我。

    最后这是CENTAURO系列的第一篇文章,后续应该会有(二)软件框架和操作中心介绍以及(三)自主运动控制器与(四)项目总结。

    Reference

    [1] Z. Ren, N. Kashiri, C. Zhou and N. G. Tsagarakis, "HERI II: A Robust and Flexible Robotic Hand Based on Modular Finger design and Under Actuation Principles", in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018.

    [2] IIT Tree Robotics, reference link: https://treerobotics.eu/.

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    2010-11-24 14:48:46
    自由度控制云台的设计 本 文 主要 讲述了直十飞行模拟器六自由度运动平台及其伺服控制系统。

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