CSPACE重新定義實時仿真控制系統 | 研發快人一步，釋放人工智能與機器人新動能！
發布日期：2022-12-10 瀏覽次數：910
隨著人工智能、物聯網（IoT）、大數據等新一代信息技術的快速發展，機器人產業也將迎來新一輪融合創新發展浪潮。與人工智能技術、先進制造技術和移動互聯網技術融合發展形成的智能機器人，正掀起人類社會生產生活方式變革。
在新一代信息技術的助力下，四足機器人實現自主巡檢作業、果園自主采摘有了智能農業采摘機器人、外骨骼機器人實現助力優化患者復健、建筑機器人實現自主鋪設地磚、手術機器人實現術前路徑優化……
不同種類的智能機器人在新一代信息技術的助力下，在越來越多領域發揮重要作用。其中，在研發這類智能化裝備時，“仿真控制技術”是重要的一個技術關鍵點。它在實現機器人智能化過程中作用顯著、應用頗多，已成為機器人等研發產品軟實力的重要指標。產業、資本、以及科研院所紛紛對此表現出高度重視。
本文以合肥中科深谷科技有限公司（以下簡稱中科深谷）自主研發的高性能CSPACE實時仿真控制系統為例，簡單介紹了其在康養、工業、農業、民生及教育多個領域的應用情況。
何為CSPACE實時仿真控制系統？CSPACE實時仿真控制系統是中科深谷推出的一套半實物仿真與控制系統，具有快速控制原型（RCP）與硬件在環仿真（HIL）兩大功能。
機器人控制器是一個復雜的控制系統，中科深谷突破實時操作系統、基于模型設計的機器人實時仿真與控制、高精度軌跡跟蹤與動態軌跡規劃等核心技術，基于CSPACE開發出一套實時機器人控制器，具有實時、高效、開源等特點，為企業工程師研發產品提供有力支撐，助推產業發展。
中科深谷的CSPACE實時仿真控制系統采用了一種基于模型設計的方法，將仿真建模與實際研發產品結合，引入高可靠性的實時軟硬件環境做技術保障，提供快速原型控制(RCP)與硬件在環回路(HIL)全套解決方案。該方案針對不同的應用場景，提供多種類型實時仿真機，減少了實際的多場景開發成本，CSPACE實時仿真控制系統作為中科深谷自主創新研發的核心產品性能指標更是直接對標國際一線品牌的國產化替代，在新能源汽車、機器人與智能制造、康養智能裝備、農業智能裝備、科研與教育領域有豐富的經驗積累，為用戶提供了專業解決方案和優質服務。
中科深谷對機器人大講堂介紹，基于模型設計的開發方法可以徹底改變傳統的開發方法，在系統開發的初期階段就引入可靠性高的實時軟/硬件環境做技術保障，并貫穿于整個系統研發過程中，滿足現代控制系統和電子系統高效、精確、快速的設計要求，從而最大限度減少樣機系統試制次數，提高設計和開發效率。
目前，中科深谷已經率先在業界落地了“基于模型設計”的開發模式，正期待更多開發者的共同參與。
具體來看，CSPACE實時仿真控制系統相較傳統開發，特征優勢主要體現在五個方面。
1、高性能實時仿真機。
基于x86高性能處理器與實時操作系統，為多任務處理提供實時組件化服務。
2、監控測試管理軟件CS-LAB。
實現了實時仿真軟件平臺，將CS-LAB與MATLAB/Simulink集成，具備友好的人機交互界面，同時靈活性高、可擴展性強。
包含AD、DA、數字量I/O、計數器/計時器等，通道數量可選，板卡類型豐富，提供高速精確信號采集接口。
數據采集卡、工業總線運動控制卡
4、支持豐富的工業實時工業以太網和現場總線。支持CAN、CANopen、Modbus、EtherCAT、Ethernet/IP等,Profibus、Profinet、CC-Link等會陸續推出，具備強大的互通互聯能力。
5、提供詳細的解決方案與應用案例。以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，提供專業詳細的定制化解決方案。包括但不限于自主開發協作臂、并聯機器人、四驅四轉移動機器人、手術機器人、外骨骼機器人、助力機器人、自平衡智能電動車等開發案例，并提供相應的軟件算法包。
在此基礎上，我們看到CSPACE實時仿真控制系統在各個領域都有著不錯的表現。
下肢康復外骨骼機器人CSPACE實時仿真控制系統重新定義醫療康復行業
與服務機器人、教育機器人等不同的是，外骨骼機器人需要與人體接觸，通過傳感器收集人體意圖，進行機械反饋，而如何準確獲得人體的意圖，也正是外骨骼機器人研發的難點。
而中科深谷CSPACE實時仿真控制系統以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，為安徽某高校提供專業詳細的定制化解決方案。
該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統，針對于下肢康復外骨骼機器人，構建精確的系統控制模型，該系統由仿生機械腿、動力源與驅動器、多個傳感器以及控制器四個主要部分組成。
在其開發過程中突破了人體下肢運動生物力學、外骨骼機構運動學及動力學、運動狀態檢測及人體運動意圖識別、運動規劃、驅動系統控制等關鍵技術。下肢康復外骨骼機器人的研發全過程都是基于模型的設計方法開發，控制系統全部開源，提供PTP運動、人體步態規劃運動、柔順控制等運動學、動力學算法實驗案例。
圖 | Solidworks三維建模
物理聯合仿真
工業領域創新實踐痛點難點多
CSPACE實時仿真控制系統助力工業制造智能化
工業領域涵蓋的范圍較廣，這里我們選取了中科深谷開發的建筑機器人以及煤礦機器人細分領域案例。
01、智能機器人協作鋪磚系統
目前，建筑機器人可以在場外進行預先構建和預先生產，模塊化建筑取得迅速發展，但很多建筑公司、建筑高校在建筑機器人核心算法研究以及機器人實時運動控制器開發領域仍欠缺相關經驗。面對作業環境惡劣、場景差異性大、施工面復雜多變等客觀現實，建筑機器人在核心零部件以及核心算法的要求方面，與工業機器人等產品有很大差異。
圖 | 智能機器人協作鋪磚系統模型圖和現場圖
中科深谷CSPACE實時仿真控制系統在機器人控制器開發領域擁有豐富的研發經驗以及成熟產品，在建筑機器人算法研究方向積累了多年的研究經驗，控制器全開源，成功為西安某高校提供專業詳細的定制化解決方案。
該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統，針對復雜的智能鋪地磚機器人，構建精確的系統控制模型，以XY模組代替機器人移動的腳，節卡協作機械臂代替人工的手，視覺系統代替人的眼睛，控制系統代替人的大腦，整套系統完美模擬了建筑工人在實際建筑工作中的場景。
智能機器人協作鋪磚系統是基于CSPACE實時仿真控制系統和MATLAB/Simulink開發的教科研平臺。其由機械臂本體（6個機械臂關節及其連桿和底座）、控制系統、鋪磚工具、上位機和穩壓電源組成。每個機械臂關節由諧波減速機、力矩電機、高精度絕對值編碼器、高精度增量式光電編碼器和伺服驅動器組成。
智能鋪瓷磚機器人代替工人從瓷磚盒里拿瓷磚，再抹灰，搬送到貼瓷磚處，輕輕放下，檢查瓷磚貼入位置，最后輕壓瓷磚的動作，確保瓷磚整齊嚴實，逐步實現了在智能建筑行業的工業化、智能化、柔性化、數字化的有益探索。
02、綜掘工作面邁步式掘錨支協同機器人
掘進機器人系統同樣是當前一個新興細分領域，其涉及機械、液壓、電氣、控制等多個龐大而復雜的領域，對各種技術的協同和融合要求非常高。產品開發往往需要以智能化控制為核心，將產品研發和過程控制作為一個完整的系統，貫穿于設計和制造的全過程。
中科深谷助力國內某高校研究的全新綜掘工作面邁步式掘錨支協同機器人給出了解決方案。
據悉，中科深谷同樣是通過采用CSPACE實時仿真控制系統，針對復雜的液壓機器人設備，構建精確的系統控制模型，反復聯調測試改進，直至每個液壓單元正常工作，實際效果與仿真一致，同時基于MBD方式優化改進控制算法，高效解決機電液系統動態參數辨識、泵閥復合電液控制功率匹配與自適應協同控制、電控系統脈動監測與抑制等核心技術難點。
無人智能農業分揀作業系統
CSPACE實時仿真控制系統助力農業生產自動化
在農業領域，仿真驗證技術的高效、研制周期短、制成本低成了機器人來應對農民在農業生產領域面臨的基礎設施低、生產成本高的挑戰，其中機器人自動化過程、計算機視覺抓取、分揀和包裝機器人的協調能力和跟蹤等技術幫助農民實現了農業生產自動化、精準化。不僅可以使農業生產更高效，還能降低傳統農業資源消耗！
憑借著多領域產業布局的優勢，中科深谷就在CSPACE實時仿真控制系統的基礎上，推出了全柔性農業智能分揀作業系統。
該系統通過無人駕駛智能采摘平臺與基于深度學習的自動揀選平臺和無人化智能倉儲及協同控制系統組合，實現客戶一站式實現采摘、運送、分揀、存儲環節的全流程自動化的需求。同時，該系統可以根據實際需求靈活擴展，兼具高柔性、高效率和高準確性的優勢。
據悉，目前無人化智能農業分揀作業系統已成功應用在某省無人智慧中心建設項目。
在中科深谷協同控制系統的支持下，無人駕駛智能抓取平臺與無人控制開源識別平臺和倉儲貨架及控制系統協同合作，采摘、運輸、識別、存儲環節均無需人工操作，進一步提升整體效率和自動化能力、降低配送成本。
民生醫療 腔鏡手術機器人
CSPACE實時仿真控制系統助力微創精準診療
目前，醫療機器人行業已經有微型仿生機器械臂、腔內開放視野的視覺成像技術等多項創新，但很多醫療器械公司在手術機器人核心算法研究以及機器人實時運動控制器開發領域仍欠缺相關經驗。
因此，中科深谷CSPACE實時仿真控制系統憑借在機器人控制器開發領域擁有的豐富研發經驗以及成熟產品，以客戶需求為導向，以技術能力為基礎，為客戶提供了專業詳細的定制化解決方案。
據悉，該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統，針對復雜的九軸手術機器人，構建精確的系統控制模型，搭載有實時內核的運動控制器，總線運動控制周期可達1ms。
基于模型設計方法（RCP&HIL）優化改進控制算法，高效解決參數辨識、高精度的正逆運動學求解以及笛卡爾空間軌跡規劃、狹小空間的臂型角運動控制等核心技術難點，最大程度實現了用少量的人手快速開發一套安全、實時的設備。同時，CSPACE實時仿真控制系統解決方案也讓臨床中患者手術的安全更能得到保障，手術路徑提前得到優化。
圖 | 控制器功能架構圖
機器人與智能制造科研方向
CSPACE實時仿真控制系統助力科研院所搭建機器人科研平臺
科研領域同樣是CSPACE大顯身手的重要舞臺。CSPACE在搭建工業機器人科研平臺和高校教學領域都有著較強價值。
據悉，CSPACE助力合肥工業大學搭建工業六軸機器人科研平臺，實現對EtherCAT總線機械臂的運動學和動力學控制，助力該校教師生在該平臺上實現復雜的控制算法創新。
而在哈爾濱工程大學智能制造產線中，則通過CSPACE與協作機器人協同應用，拓展智能化系統中的數字化能力，使制造和過程運營管理更敏捷地響應未來需求。
正由于實時仿真的優勢，CSPACE已經在許多高校及科研院所得到了越來越多的應用。在教學過程中學生可以通過實時仿真器來對控制器進行非常接近真實情況的測試與驗證?；趯崟r仿真的實驗系統引進先進理念和技術，支持設計型、研究型創新實驗的開展，適應創新型人才的培養需要。
目前，該系統廣泛應用于機器人、電機驅動、電力電子、汽車電子、自動駕駛、過程控制、機電一體化設備等控制領域，能有效支撐高校教學中的自動化、機器人、機械電子、電氣工程、機械工程、電子信息等專業教學中的《機電傳動控制》、《自動控制原理》、《現代控制理論》、 《智能控制理論》、《MATLAB 編程與應用》、《傳感器與檢測技術》、《信號與系統》、《機器人學》、 《電機學》 、《運動控制系統》 等建模與仿真教學課程。
通過以上CSPACE實時仿真控制系統的經典案例不難看出，CSPACE實時仿真控制系統可以完全融合各種機器人，并拓展了機器人功能中“人”的屬性，使得機器人能出色地融入不同定制化場景，實現效率最大化。
隨著人工智能產業發展成熟，機器人將持續推動生產水平提高、生活品質提升，有力促進經濟社會可持續發展。在此過程中，中科深谷正在保持著創新理念，深度挖掘客戶需求，根據行業經驗，精準挖掘企業痛點，并以創新舉措提供著更專業的應用解決方案，為建設現代化經濟體系、構筑美好生活新圖景，提供強力的技術支撐，推動我國產業升級，加快實現高質量發展。
