准确性和便捷性大幅度提高！CSPACE半实物仿真与控制系统如何赋能机器人与智能制造产业发展？

随着现代制造业逐渐向智能化、柔性化发展，智能制造对控制系统的要求越来越高，特别是对于快时变、强耦合、多要素复杂系统来说，控制系统已经成为了制约系统能力提升的关键因素之一。在控制系统的研制中，半实物仿真与控制技术已成为一种必不可少的手段。

操作系统与工业软件是制造业数字化、网络化、智能化的基石，是新一轮工业革命的核心要素。发展自主可控的工业操作系统及工业基础软件，对于我们国家实施制造强国具有重要的战略意义。工业基础软件与工业应用软件的基础，是智能制造时代的生产工具。当前，无论是基础软件开发工具还是面向软件系统层面的系统测试工具，国内都缺乏掌握核心科技，无法做到自主可控都是产业链乃至国家战略层面亟待解决的重大问题。

作为掌握人工智能与机器人核心技术的高新科技公司，中科深谷科技发展有限公司（以下简称：中科深谷）洞悉产业发展需求，专注于人工智能及智能制造技术的研发与创新，凭借公司多年自主研发的高性能半实物仿真与控制系统，以及一流的产品矩阵，率先在业界落地“半实物仿真与控制技术”的开发模式，为机器人/智能制造行业提供了高效率、高性价比的应用典范。

半实物仿真与控制技术的出现彻底改变了传统的开发方法，在系统开发的初期阶段就引入可靠性高的实时软/硬件环境做技术保障，并贯穿于整个系统研发过程中，满足现代控制系统和电子系统高效、精确、快速的设计要求，从而最大限度减少样机系统试制次数，提高设计和开发效率。

半实物仿真与控制技术

如何助力机器人产品高效开发

中科深谷半实物仿真与控制技术包括快速控制器原型（RCP）仿真和硬件在回路仿真（HIL），是将部分实物与数字模型一起构成仿真回路的一种仿真技术。其中硬件在回路仿真采用数字模型替代真实环境或部分设备，满足对于控制系统仿真严格的实时性要求，能够构建出近似于真实应用条件的仿真运行环境，相比纯粹的虚拟仿真，可以大大提高仿真的置信度。

以基于CSPACE半实物与仿真开发协作机械臂为例：

将仿真建模与协作机械臂产品结合，引入高可靠性的实时软硬件环境做技术保障。

RCP/HIL对实时性的要求：

• 当实际硬件连接到仿真时是必需的；

•  确保在连续的时间内做出响应；

• 允许模拟引导真实的硬件。

从需求捕获到设计、实现和测试，系统模型开发和测试始终占据开发流程的核心。

开发过程中团队始终追求持续不断的创新，将客户所追求的前沿创新技术与安全、可靠的核心功能有机结合。

基于CSPACE半实物与仿真技术的协作机械臂开发流程：

1 驱动器选择

打开Simulink软件，选择控制协作机械臂的工具箱模块。

2 控制模型算法搭建与仿真

在Matlab/Simulink环境下建立机械臂数学模型，并进行仿真测试，初步验证模型及算法的正确性。

3 部署验证调试测试

通过实时仿真机（CSPACE）+被控对象（协作机械臂）+上位机的硬件部署；然后在开发主机上，根据软件向导，建立仿真工程，设置仿真目标机属性，配置监视及保存变量；最后完成实物验证测试。

4 结果分析

仿真结束后，通过实时存储数据上传、格式转换、数据回放等功能进行结果分析。

系统操作简单 

效果不简单

编程方便，易用性强

CSPACE控制器的编程开发环境采用Matlab/Simulink，上手难度小，支持RCP快速原型设计，图形化编程，实现用户的MATLAB/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自动转换。同时支持支持HIL硬件在回路测试，用户的控制器等实物设备可以直接与CSPACE仿真器连接，动态验证实物控制器性能。满足快速地进行控制系统的搭建的需求。

硬件接口丰富，性能稳定

IO资源丰富，有丰富的IO板卡资源供用户选择，包括：SCI、PWM、CAN、RS232/485、GPIO、SPI、EtherCAT、Ethernet等。可实时在线调参，实时显示多组变量并自动存储数据。

开放性强，应用案例丰富

控制器可适配各类型协作机器人、移动作业机器人等多种智能机器人，适配客户定制或开发的各类型伺服系统。可实现验证机器人设计或算法，仿真具有精确的运动学、动力学和接触属性的机器人系统，可集成六维力/力矩传感器、深度相机、激光雷达、各类IMU等传感器，提供运动学、动力学、柔性控制、视觉抓取等丰富案例。

系统算法和案例开源

提供丰富的伺服驱动、控制等开源控制算法模型，支撑行业应用。

CSPACE半实物仿真与控制系统

在各行业的落地成效如何？

   医疗行业  

用于腹腔镜手术机器人具有非常精确的体积和控制要求。在研发期间，利用CSPACE半实物仿真与控制技术进行直流供电的伺服电机驱动器开源平台的设计、仿真、测试完成伺服电机驱动器和EtherCAT机械臂控制器的研发，搭建第一台腹腔镜手术机器人功能样机。

（网络示意图）

   工业/制造业  

航空航天领域智能双臂协作精密装配机器人系统使用基于模型的设计与 MATLAB /Simulink 对控制器和设备进行建模生成用于 HIL 测试和实时操作的代码，优化装配轨迹并自动生成代码。实现高精尖武器的航空航天领域待装配部件自动装配，提高生产效率以及安装质量，助力解决人工手动安装的批量、重复性、繁重操作问题，将更多的工人从产线解放出来，参与其他更重要的工作任务。

（系统控制原理图）

除智能双臂协作精密装配机器人外，CSPACE半实物仿真与控制技术还赋能多款协作机器人、并联机器人产品的研发。

（部分可支持的协作机器人展示）

   农业  

中科深谷为某农科院研发的无人驾驶智能采摘机器人通过CSPACE半实物仿真与控制技术，基于模型的设计与 MATLAB /Simulink开发方法，对控制器和智能采摘机器人进行建模生成用于 HIL 测试和实时操作的代码，优化采摘轨迹。

最终无人驾驶智能采摘机器人在无轨道无外部路标情况下，可以在狭窄农业环境中的自由移动和水果抓取。

   煤矿行业   

在综掘工作面迈步式掘锚支协同机器人的研发过程中，传统的PLC控制器没法进行开源，需要深度开源进行产品开发，测试验证算法先进性与稳定性。中科深谷通过采用CSPACE半实物仿真与控制技术，针对复杂的液压机器人设备，构建精确的系统控制模型，反复联调测试改进，直至每个液压单元正常工作，实际效果与仿真一致，同时基于MBD方式优化改进控制算法，高效解决机电液系统动态参数辨识、泵阀复合电液控制功率匹配与自适应协同控制、电控系统脉动监测与抑制等核心技术难点，最大程度实现了掘锚支多工序并行作业。

   科研   

在新型柔性机器人的研发中利用中科深谷多年计算机仿真和嵌入式实时控制技术积累，采用自主研发设计的高性能伺服驱动器，快速匹配关节模组电机，结合CSPACE实现机器人控制系统硬件在环回路（HIL）和快速控制原型（RCP）的功能。

其实现功能具体体现在新型柔性机器人在Matlab/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自动转换和新型柔性机器人控制器通过CAN总线高效稳定控制各个关节模组，还可以通过在线调参来动态验证新型柔性机器人运动控制性能等各方面实际场景应用。

   高校教学   

正由于实时仿真的优势，其在高校得到了越来越多的应用。在教学过程中学生可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证。基于实时仿真的实验系统引进先进理念和技术，支持设计型、研究型创新实验的开展，适应创新型人才的培养需要。

（部分可支持的教学平台展示）

该系统广泛应用于机器人、电机驱动、电力电子、汽车电子、自动驾驶、过程控制、机电一体化设备等控制领域，能有效支撑高校教学中的自动化、机器人、机械电子、电气工程、机械工程、电子信息等专业教学中的《机电传动控制》《自动控制原理》《现代控制理论》 《智能控制理论》《MATLAB 编程与应用》《传感器与检测技术》《信号与系统》《机器人学》 《电机学》 《运动控制系统》 等建模与仿真教学课程。

   创新项目应用   

在创新产品的研发中，工程师利用半实物仿真与控制，采用深度学习构建复杂非线性物理系统的替代模型，更好地掌握真实物理系统的各种运行工况，进而开发出多款性能卓越的创新产品。

（部分创新应用产品展示）

在人工智能与机器人技术飞速发展背景下，半实物仿真与控制系统向智能化、网络化、数字化、高精度化、分布式交互等方向发展。中科深谷CSPACE半实物仿真与控制系统的出现，将极大提升国产半实物仿真系统发展与应用水平。未来中科深谷将持续技术创新，为现代工程系统研发提供更加高效、专业的工具与技术支撑。

来源 | 中科深谷

排版 | 麦子

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