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金獎

基于ROS驅控一體機器人關節組件的研究

林成靖

上海交通大學 機械工程

1.設計目的

目前，市場上機器人采用固定的機械結構、互不開放的控制系統和設計思路，阻礙了機器人的普及，而模塊化和組件化被公認為是解決以上問題的有效方法。本課題開發多種驅控一體的機器人關節組件，自由組合成特定構形。其組件化體現在機械結構、電子電氣、控制算法、上位機軟件的通用性等方面。通信使用CAN/EtherCAT總線；軟件采用ROS(Robot Operating System)技術，方便二次開發。通過關節組件自由組合，用戶可快速搭建機器人并編程控制，拓展服務、工業、醫療等領域應用。

2.基本原理及方法

1)PID控制理論

PID(Portion Integration Differentivation)控制方怯作為較早提出并得到發展的控制策略之一，在如今仍得到相當廣泛的實際應用。近幾十年來，PID控制方法和技術也處于不斷發展中，出現多種控制及整定思想。參數自整定與自適應控制思想就是其中一種。它與常規PID控制器相結合，實現自適應PID控制或自校正PID控制；既能自動整定控制器參數、適應被控過程參數的變化，又具有常規PID控制器結構簡單、魯棒性好、性高等優點。

2)CAN/EtherCAT總線通信

控制器局域網絡(Controller Area Network，CAN)作為目前國際上應用為廣泛的現場總線之一，由德國BOSCH公司開發，屬于ISO國際標準化的串行通信協議。CAN總線具有各節點之間的數據通信實時性強、開發周期短的優點，是有前途的現場總線之一。

EtherCAT是一個開放架構，是以以太網為基礎的現場總線系統。EtherCAT是確定性的工業以太網。自動化對通信要求一般是資料更新時間短、資料同步時的通信抖動量低，而且硬件的成本要低。EtherCAT開發的目的就是讓以太網可以運用在自動化應用中，EtherCAT擁有性能、拓撲靈活并且簡單耐用的優點。

3)ROS

ROS是用于機器人的一種次級操作系統。它提供類似操作系統所提供的功能，包含硬件抽象描述、底層驅動程序管理、共用功能的執行、程序間的消息傳遞、程序發行包管理，它也提供一些工具程序和庫用于獲取、建立、編寫和運行多機整合的程序。

3.主要設計過程或試驗過程

本課題的設計和試驗過程主要包括以下方面。

1)驅控一體關節組件與結構設計

面向服務行業對于協作機器人關節的需求，確定本課題計劃開發的關節組件的詳細功能需求，制定合理的系統架構和各部分細節設計要求。

機械結構設計的重點就在于減輕關節質量、提高輸出扭矩、壓縮關節體積。在此需求下，使用高功率密度的直流無刷電機，同時具有較高的輸出扭矩，結合大減速比的諧波減速器，保障關節的傳動精度和高扭矩輸出。

關節間連接首先要在關節上設置多種接口，利用關節的各個連接面，讓用戶可以更自主地選擇需要使用的連接面。其次在關節間連桿設計上采用平行軸或垂直軸的結構，在保障構型多元化的前提下降低連桿的加工費用，避免使用過于復雜且加工難度高的連桿設計。

2)驅控一體關節驅控系統設計

對應結構采用的直流無刷電機，選用大功率的直流無刷電機驅動模塊。利用安裝在結構中的增量式相對編碼器，實現直流無刷電機的高精度速度和位置控制。在基本的運動控制基礎上，將關節內的各類傳感器數據采集處理，與控制和反饋指令整合起來，通過總線式的通信系統傳遞于上下位機之間。針對不同的應用要求，同時設計CAN和EtherCAT兩種通信總線模式，滿足高速通信的需求。

3)驅控一體關節軟件驅動設計

目前常用的上位機控制系統如Windows和Linux等，近年ROS在機器人領域的應用也不斷擴大，越來越多的機器人開發者將算法開源到ROS上，ROS自身也提供了更多的高級應用。因此，設計的關節硬件也應當能夠直接接入ROS中，讓開發者可以利用本課題已開發的關節ROS驅動，把更多的精力放在高級算法的開發上。考慮到部分開發者更著眼于基礎應用，因此在開發了上述關節ROS驅動基礎上設計一款上位機演示軟件。它可以在關節使用初期對各個關節進行配置，還能直接控制單關節和整個機器人，使機器人的實際運動和仿真運動可視化，同時關節內數據信息也在演示軟件中不停地更新，便于用戶觀測。

4)驅控一體關節演示試驗

在設計了以上關節結構、電氣和驅動以后，讓上位機系統對單關節進行簡單操作，如總線傳輸、傳感器采集、運動控制等。驗證單關節可行性后，將多個關節搭建成一個完整的多自由度機器人，在上位機上對其整體建模仿真可視化進行測試，驗證同步控制的可行性。

4.結論

對國內外產品調研后確定了研發目標，設計出多款集成驅動和控制的大扭矩、輕量化關節。并測試關節運動控制方榕的有效性，通過總線接入上位機驅動，驗證控制效果，共得出以下成果。

(1)設計了驅控一體關節結構，選用大扭矩、小體積直流無刷電機和大減速比諧波減速器，與硬件PCB(Printed Circuit Board)集成到緊湊的關節結構內；外部設計多面連接孔，方便用戶多元化的連接。

(2)對直流無刷電機進行PID整定，采用遺傳算在去尋找較優的PID參數。使用的速度PID控制模式可實現較的速度控制，在位置PID模式以精插值的方法跟蹤上位機下發的位置指令。

(3)搭建了CAN通信協議，測試驗證該通信數據包的可行性。在總線上搭載多個從站關節以后對關節ID和PID進行上位機配置修改。在硬件上加入EtherCAT從站電路，將EtherCAT通信應用到關節組件中。

(4)設計了面向ROS的CAN通信驅動程序，可在ROS中直接驅動關節硬件。針對關節的控制需求和傳感器采集，使用。設計了人機交互界面，提供模型可視化、狀態檢測和參數配置。

5.創新點

(1)緊湊型、輕量化、大扭矩的關節機械結構。

(2)提供基于ROS的開源算法方便拓展應用，方便用戶拓展開發更高級的應用。

(3)采集關節內各類數據供用戶分析，并作為控制系統的實時反饋。

(4)快速連接關節連桿實現機械臂自定義組裝，機械連接同時完成電氣連接，組裝后可方便啟動關節并配置各個關節的關鍵參數。

(5)使用CAN/EtherCAT高速通信方式傳輸數據，集成于驅控一體關節系統中，為關節高速通信提供硬件電路和軟件驅動支持。

(6)設計了可視化的友好型人機交互界面，完成快速連接與關節配置后，即可在人機交互界面上靈活控制機器人系統的完整運動，實時觀測關節運動狀態和傳感數據。

6.設計圖或作品實物圖

設計作品的實物圖如圖1所示。

圖1設計作品的實物圖

銀獎

基于聲表面波和紫外光固化的微結構制造研究

鄧兆興

浙江大學 機械工程

1.設計目的

具有特殊表面形貌的微結構在微機電系統和生物醫學等領域有著廣泛的應用，如圖案化微結構在柔性觸覺傳感陣列中可作為介電層設計來提高其檢測靈敏度，圖案化微結構也可作為離體細胞培養的載體來模擬細胞的天然生長環境。常規的微結構制造方法有超精密切削、光刻、微壓印和三維打印等，這些方法對加工設備的要求較高，且需要復雜的模具設計、成本高、周期長。本畢業設計擬突破傳統微結構制造方榕的局限，提出一種基于聲表面披和紫外光固化相結合的圖案化微結構的快速制造方站，開展新型聲表面被換能器的結構設計，井構建出試驗系統開展固案化微結構制造機理及試驗研究。

2.基本原理及方法

1)聲表面注換能器激發出聲表面這駐波場

聲表面波是一種沿物體表面傳播的瑞利波，可由附著在壓電晶體表面的系列電極(叉指換能器)來激發。當若干列頻率相同、傳播方向相反的聲表面被相干涉時，在壓電晶體表面的掖面上會疊加形成駐波場。聲表面披的駐波場中會存在穩定分布的節點與反節點，節點處質點振動位移為零，反節點處位移，進而構成不同的圖案化微結構陣列形貌。

2)聲表面波駐波場在波體表面激發穩定形貌

聲表面波在壓電晶體表面傳遞過程中，部分能量會以縱波的形式傳遞到液體中形成空間分布的聲場，在液體與空氣的交界面處，由于介質的不連續，縱波發散激發出聲輻射壓；聲輻射壓的大小和分布與液體內的聲場有關，聲表面波的駐波可在液體表團形成穩定的聲場，從而激發大小、空間位置固定的聲輻射壓。液體表面在聲輻射壓、表面張力和重力的作用下達到平衡，其表現為形成穩定的周期性分布的微結構圖案。

3)基于紫外光固化的液體固化成形

當聲表面波在液態光敏材料的表面激發出穩定的空間形貌時，采用紫外光固化的方法可使具有穩定空間形貌的液態光敏材料轉變為固態，從而實現圖案化微結構陣列的快速制造。并且，聲輻射壓的空間分布近似正弦函數，所以制造出的圖案化微結構陣列具有連續光滑的表面特征。