金奖

基于ROS驱控一体机器人关节组件的研究

林成靖

上海交通大学 机械工程

1.设计目的

目前，市场上机器人采用固定的机械结构、互不开放的控制系统和设计思路，阻碍了机器人的普及，而模块化和组件化被公认为是解决以上问题的有效方法。本课题开发多种驱控一体的机器人关节组件，自由组合成特定构形。其组件化体现在机械结构、电子电气、控制算法、上位机软件的通用性等方面。通信使用CAN/EtherCAT总线；软件采用ROS(Robot Operating System)技术，方便二次开发。通过关节组件自由组合，用户可快速搭建机器人并编程控制，拓展服务、工业、医疗等领域应用。

2.基本原理及方法

1)PID控制理论

PID(Portion Integration Differentivation)控制方怯作为较早提出并得到发展的控制策略之一，在如今仍得到相当广泛的实际应用。近几十年来，PID控制方法和技术也处于不断发展中，出现多种控制及整定思想。参数自整定与自适应控制思想就是其中一种。它与常规PID控制器相结合，实现自适应PID控制或自校正PID控制；既能自动整定控制器参数、适应被控过程参数的变化，又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、性高等优点。

2)CAN/EtherCAT总线通信

控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)作为目前国际上应用为广泛的现场总线之一，由德国BOSCH公司开发，属于ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线具有各节点之间的数据通信实时性强、开发周期短的优点，是有前途的现场总线之一。

EtherCAT是一个开放架构，是以以太网为基础的现场总线系统。EtherCAT是确定性的工业以太网。自动化对通信要求一般是资料更新时间短、资料同步时的通信抖动量低，而且硬件的成本要低。EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中，EtherCAT拥有性能、拓扑灵活并且简单耐用的优点。

3)ROS

ROS是用于机器人的一种次级操作系统。它提供类似操作系统所提供的功能，包含硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间的消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具程序和库用于获取、建立、编写和运行多机整合的程序。

3.主要设计过程或试验过程

本课题的设计和试验过程主要包括以下方面。

1)驱控一体关节组件与结构设计

面向服务行业对于协作机器人关节的需求，确定本课题计划开发的关节组件的详细功能需求，制定合理的系统架构和各部分细节设计要求。

机械结构设计的重点就在于减轻关节质量、提高输出扭矩、压缩关节体积。在此需求下，使用高功率密度的直流无刷电机，同时具有较高的输出扭矩，结合大减速比的谐波减速器，保障关节的传动精度和高扭矩输出。

关节间连接首先要在关节上设置多种接口，利用关节的各个连接面，让用户可以更自主地选择需要使用的连接面。其次在关节间连杆设计上采用平行轴或垂直轴的结构，在保障构型多元化的前提下降低连杆的加工费用，避免使用过于复杂且加工难度高的连杆设计。

2)驱控一体关节驱控系统设计

对应结构采用的直流无刷电机，选用大功率的直流无刷电机驱动模块。利用安装在结构中的增量式相对编码器，实现直流无刷电机的高精度速度和位置控制。在基本的运动控制基础上，将关节内的各类传感器数据采集处理，与控制和反馈指令整合起来，通过总线式的通信系统传递于上下位机之间。针对不同的应用要求，同时设计CAN和EtherCAT两种通信总线模式，满足高速通信的需求。

3)驱控一体关节软件驱动设计

目前常用的上位机控制系统如Windows和Linux等，近年ROS在机器人领域的应用也不断扩大，越来越多的机器人开发者将算法开源到ROS上，ROS自身也提供了更多的高级应用。因此，设计的关节硬件也应当能够直接接入ROS中，让开发者可以利用本课题已开发的关节ROS驱动，把更多的精力放在高级算法的开发上。考虑到部分开发者更着眼于基础应用，因此在开发了上述关节ROS驱动基础上设计一款上位机演示软件。它可以在关节使用初期对各个关节进行配置，还能直接控制单关节和整个机器人，使机器人的实际运动和仿真运动可视化，同时关节内数据信息也在演示软件中不停地更新，便于用户观测。

4)驱控一体关节演示试验

在设计了以上关节结构、电气和驱动以后，让上位机系统对单关节进行简单操作，如总线传输、传感器采集、运动控制等。验证单关节可行性后，将多个关节搭建成一个完整的多自由度机器人，在上位机上对其整体建模仿真可视化进行测试，验证同步控制的可行性。

4.结论

对国内外产品调研后确定了研发目标，设计出多款集成驱动和控制的大扭矩、轻量化关节。并测试关节运动控制方榕的有效性，通过总线接入上位机驱动，验证控制效果，共得出以下成果。

(1)设计了驱控一体关节结构，选用大扭矩、小体积直流无刷电机和大减速比谐波减速器，与硬件PCB(Printed Circuit Board)集成到紧凑的关节结构内；外部设计多面连接孔，方便用户多元化的连接。

(2)对直流无刷电机进行PID整定，采用遗传算在去寻找较优的PID参数。使用的速度PID控制模式可实现较的速度控制，在位置PID模式以精插值的方法跟踪上位机下发的位置指令。

(3)搭建了CAN通信协议，测试验证该通信数据包的可行性。在总线上搭载多个从站关节以后对关节ID和PID进行上位机配置修改。在硬件上加入EtherCAT从站电路，将EtherCAT通信应用到关节组件中。

(4)设计了面向ROS的CAN通信驱动程序，可在ROS中直接驱动关节硬件。针对关节的控制需求和传感器采集，使用。设计了人机交互界面，提供模型可视化、状态检测和参数配置。

5.创新点

(1)紧凑型、轻量化、大扭矩的关节机械结构。

(2)提供基于ROS的开源算法方便拓展应用，方便用户拓展开发更高级的应用。

(3)采集关节内各类数据供用户分析，并作为控制系统的实时反馈。

(4)快速连接关节连杆实现机械臂自定义组装，机械连接同时完成电气连接，组装后可方便启动关节并配置各个关节的关键参数。

(5)使用CAN/EtherCAT高速通信方式传输数据，集成于驱控一体关节系统中，为关节高速通信提供硬件电路和软件驱动支持。

(6)设计了可视化的友好型人机交互界面，完成快速连接与关节配置后，即可在人机交互界面上灵活控制机器人系统的完整运动，实时观测关节运动状态和传感数据。

6.设计图或作品实物图

设计作品的实物图如图1所示。

图1设计作品的实物图

银奖

基于声表面波和紫外光固化的微结构制造研究

邓兆兴

浙江大学 机械工程

1.设计目的

具有特殊表面形貌的微结构在微机电系统和生物医学等领域有着广泛的应用，如图案化微结构在柔性触觉传感阵列中可作为介电层设计来提高其检测灵敏度，图案化微结构也可作为离体细胞培养的载体来模拟细胞的天然生长环境。常规的微结构制造方法有超精密切削、光刻、微压印和三维打印等，这些方法对加工设备的要求较高，且需要复杂的模具设计、成本高、周期长。本毕业设计拟突破传统微结构制造方榕的局限，提出一种基于声表面披和紫外光固化相结合的图案化微结构的快速制造方站，开展新型声表面被换能器的结构设计，井构建出试验系统开展固案化微结构制造机理及试验研究。

2.基本原理及方法

1)声表面注换能器激发出声表面这驻波场

声表面波是一种沿物体表面传播的瑞利波，可由附着在压电晶体表面的系列电极(叉指换能器)来激发。当若干列频率相同、传播方向相反的声表面被相干涉时，在压电晶体表面的掖面上会叠加形成驻波场。声表面披的驻波场中会存在稳定分布的节点与反节点，节点处质点振动位移为零，反节点处位移，进而构成不同的图案化微结构阵列形貌。

2)声表面波驻波场在波体表面激发稳定形貌

声表面波在压电晶体表面传递过程中，部分能量会以纵波的形式传递到液体中形成空间分布的声场，在液体与空气的交界面处，由于介质的不连续，纵波发散激发出声辐射压；声辐射压的大小和分布与液体内的声场有关，声表面波的驻波可在液体表团形成稳定的声场，从而激发大小、空间位置固定的声辐射压。液体表面在声辐射压、表面张力和重力的作用下达到平衡，其表现为形成稳定的周期性分布的微结构图案。

3)基于紫外光固化的液体固化成形

当声表面波在液态光敏材料的表面激发出稳定的空间形貌时，采用紫外光固化的方法可使具有稳定空间形貌的液态光敏材料转变为固态，从而实现图案化微结构阵列的快速制造。并且，声辐射压的空间分布近似正弦函数，所以制造出的图案化微结构阵列具有连续光滑的表面特征。