【睿尔曼-RealMan】新质生产力教学科研平台——技术方案

一、功能概述

1.1、功能简介

新质生产力教学科研平台是集成移动底盘、机械臂、末端执行器、边缘计算平台，商品上架下单单元，ros控制单元的教育实训平台，能实现无人商超场景中的自主下单、自动取货、远程结算等功能。

新质生产力教学科研平台通过软件系统中录入相应商品、网页下单商品，下单后复合升降机器人自动导航到相应商品所在的货架处，定位对应货架所在的层，然后通过图像识别到对应的物品坐标位置，机械臂定位抓取货品放置到单臂机器人货物框里，取货完毕后机器人移动到超市门口处处将货品卸下来后，机器人自动导航到充电处充电。

图1 AI零售取货

图2 复合升降机器人系统构成

1.2、产品应用案例

新质生产力教学科研平台所用的硬件软件可迁移到多个场景，用复合升降机器人实训平台针对物流仓储、无人药店、安全巡检等应用场景，提供一体化复合机器人集成方案，实现机器人在结构化场景内，进行无轨导航及路径规划，同时满足三维空间作业能力的需求，实现全范围、大空间的自主移动、自主动态抓取。

仓储物流

安全巡检

1.3、项目组成

1.3.1、软件部分

（1） web下单项目：html、css和python编写的前后端程序用于pad进行商品下单。

上架商品，将当前货架中的商品信息录入到系统中去：

下单产品。选择相应的商品进行下单，AI零售机器人去抓取：

（2）ros控制单元：实现对导航路径的自动规划、调用模型进行物体识别、导轨升降控制、机械臂移动抓取。

（3） 识别模型：识别多种商品并返回商品的位置信息。

1.3.2 、硬件部分

硬件控制单元主要由移动底盘、竖直导轨、机械臂、视觉传感器、末端执行器、主控模块组成。移动底盘是所有设备的安装平台，可以进行建图、导航、避障等操作；竖直导轨用来提升机械臂在高度上的空间移动；机械臂、视觉传感器、末端执行器统一作为执行系统，完成用户设定的工作，主控模块是整个产品的控制单元负责处理视觉图像并为执行系统下达任务指令。

1.3.3、可实现具体的功能

（1）网页端商品的上架和下单；

（2）模型对多种商品的识别；

（3）机器人底盘对到目标位置轨迹规划和避障；

（4）机械臂对多种不同商品采取不同的位姿的进行抓取；

1.4、产品特点

1.4.1、产品背景

2023年1月《“机器人+”应用行动实施方案》指出，当前，机器人产业蓬勃发展，极大地改变着人类生产和生活方式，为经济社会发展注入强劲动能。预计到2025年，制造业机器人密度较2020年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升，机器人促进经济社会高质量发展的能力明显增强。

政策聚焦制造业、农业、建筑、能源、商贸物流、医疗健康、养老服务、教育、商业社区服务和安全应急和极限环境应用10大重点领域，突破100种以上机器人创新应用技术及解决方案，推广200个以上具有较高技术水平、创新应用模式和显著应用成效的机器人典型应用场景，建设一批应用体验中心和试验验证中心。推动各行业、各地方结合行业发展阶段和区域发展特色，开展“机器人+”应用创新实践。搭建国际国内交流平台，形成全面推进机器人应用的浓厚氛围。

为强化“机器人+”应用组织保障，国家大力提倡培养引进机器人应用高端研发人才和标准化人才，加强人才国际交流，打造领军人才和创新团队。鼓励机器人企业、用户单位与普通高等院校、科研院所、职业院校等合作，共建人才实习实训基地，联合开展机器人应用人才培养，提供更多就业渠道。组织细分行业机器人应用技能竞赛，发现和培养更多机器人高素质技术技能人才。

1.4.2、产品优势

复合升降机器人同时具备商业应用、教学实训及科研实验的特性，是融合应用与科教一体的平台，因此其支持各类型高校专业实训、课程设计、毕业设计等实训环节的教学，也满足各科研院所基础实验测试及二次开发需求，实训平台主要有以下优势：

(1)多功能性：复合升降机器人可以执行多种任务，包括装配、拾取、搬运等，而传统工科实训设备往往功能单一，只能完成特定的实验或操作。

(2)智能化技术支持：复合升降机器人集成了人工智能技术，例如机器视觉、自主导航、深度学习及大模型等前沿技术，能够实现环境感知和自主决策，提升实验的智能化水平，并且对于前沿的人工智能技术具备良好的适配性，各类最新智能算法及AI解决方案能够轻松在平台上验证，对于高层次人才培养和深度科研探索有坚实的基础支撑。传统设备通常缺乏智能化支持，限制了实验的深度和创新性。

(3)灵活性：复合升降机器人的机械臂结构设计灵活，可以在不同工作场景下自由移动和操作，适用于多种实验和项目需求。而传统设备通常固定在实验室中，缺乏灵活性和移动性。

(4)自动化程度高：复合升降机器人具备自动化控制功能，能够通过编程实现自动化操作和任务执行，提高实验效率和精度。而传统工科实训设备往往需要手动操作，效率较低且容易受到人为因素影响。

(5)跨学科应用：复合升降机器人涵盖了人工智能、控制工程、计算机等多个学科领域的知识和技术，可以为跨学科的实验和项目提供支持。传统工科实训设备往往局限于特定学科领域，无法满足跨学科教学需求。

(6)实践创新教学：复合升降机器人为学生提供了实践创新的平台，可以进行项目设计、编程控制、系统集成等实践操作，培养学生的创新能力和实践技能。传统工科实训设备往往缺乏创新性和实践性，难以激发学生的学习兴趣和动手能力。

(7)设备迭代更新：复合升降机器人采用模块化组成思想，每个组成部分都能够单独运行使用，因此后续升级与适配十分方便，用户无需整套返厂更新，使用配套器件即可更新硬件与软件。传统工科实训设备通常处于固定安装状态，设备使用效果具有“时效性”。

(8)教学资料配套：复合升降机器人实训平台配套各类型教学资料，包括实训文档、开发文档、实训讲解视频、二次开发实践视频以及实践讲师现场教学等全面的教学支撑，为客户群体提供人性化与定制化的使用与开发服务。传统工科实训设备配套资料往往形式单一。

(9)实训平台生态圈：复合升降机器人实训平台提供全方位的生态圈，用户可自行定制与替换各部件，以便完成特定的场景需求，并且复合升降机器人实训平台拥有独立的产品生态论坛，用户可以随时在论坛查找相关生态产品资料以及开发资料，极大地减少客户二次开发应用难度及周期。

1.5、配套资源

复合升降机器人配套全面的实训内容与资料，为教育客户群体提供涵盖机器人工程、人工智能、自动化、计算机、通信工程、电子信息等专业的课程教学与实训实验资源，并且提供产品论坛，用户可在论坛中交流与查找相关资料，产品的更新资料也会同步至论坛中，方便用户查收。

1.5.1、课程资源

复合升降机器人实训平台提供系统性的教学实验实训内容，包括实训文档及实训视频，深入浅出的讲解复合升降机器人相关原理与开发流程，以下是部分课程资源概览：

主题	课程	内容（简述）	课时
中控系统教学实训	Linux系统基础	1.Linux系统说明； 2.Linux系统安装； 3.常用Linux命令说明；	4
中控系统教学实训	Python基础	1.Python语言说明； 2.Python环境搭建； 3.Python基础语法； 4.Python数据类型； 5.Python函数说明； 6.Python中Socket网络编程；	4
中控系统教学实训	ROS操作系统	1.ROS简介及ROS总体框架； 2.ROS安装及测试； 3.ROS中话题topic、服务Service、消息等介绍； 4.基于C++编写各节点； 5.Launch文件说明及使用； 6.TF变换说明； 7.Rqt、RVIZ、Gazebo、Cvbridge工具介绍；	16
中控系统教学实训	物联网平台	1.物联网简介及设备说明； 2.物联网通讯协议说明； 3.物联网传感器数据包获取及解读；	8
视觉系统教学实训	视觉传感器认知	1.视觉传感器简介及分类； 2.视觉传感器优缺点分析； 3.视觉传感器应用场景分析；	4
视觉系统教学实训	深度相机技术应用	1.深度相机简介及基础使用； 2.深度相机获取三维坐标；	4
视觉系统教学实训	深度学习及视觉识别技术	1.深度学习简介； 2.YOLO5框架介绍及使用； 3.物体识别应用； 4.输出识别物体的坐标信息；	8
视觉系统教学实训	视觉识别二维码及颜色	1.Opencv简介及环境安装； 2.基于Opencv的颜色识别实践； 3.基于Opencv的二维码识别实践；	6
视觉系统教学实训	手眼标定	1.手眼标定的意义； 2.使用Python实现基于六轴机械臂的手眼标定；	2
操作机构系统教学实训	执行机构本体	1.六轴机械臂简介及本体认知； 2.六轴机械臂通讯方法； 3.六轴机械臂示教器使用基础； 4.六轴机械臂示教器编程；	8
操作机构系统教学实训	机械臂仿真系统	1.ROS机器人操作系统简介及认知； 2.RVIZ中显示机械臂模型； 3.使用Moveit工具编程； 4.Moveit控制Gazebo中的仿真机械臂； 5.Moveit仿真避障规划；	16
操作机构系统教学实训	执行机构二次开发	1.JSON协议应用； 2.机械臂API应用； 3.机械臂透传移动控制； 4.在线编程及拖动轨迹文件编程；	16
操作机构系统教学实训	执行机构集成技术	1.机械臂控制器对外接口应用； 2.机械臂末端对外接口应用； 3.机械臂集成2指夹爪及五指灵巧手应用； 4.机械臂集成真空吸盘应用；	8

1.5.2、可开展实训内容

（1）机器人组成原理：复合升降机器人通识；

（2）安全规范：RM75-B机械臂安全操作规范；

（3）机械臂使用：机械臂基本运动指令和TCP标定讲解及练习；

（4）操作流程：复合升降机器人运行流程示范与操作；

（5）机械臂控制：机械臂语言动作指令编程、外部IO控制、外部轴集成协同控制；

（6）机器人建图与导航：激光雷达或摄像头等传感器进行环境建图，并实现自主导航功能；

（7）机械臂运动学与动力学：深入理解机械臂的结构、运动学和动力学原理，以及如何应用这些知识进行精确控制和运动规划；

（8）视觉识别与目标跟踪：学习使用视觉传感器进行目标检测、识别和跟踪，为机器人赋予智能感知能力，实现更复杂的任务；

（9）语言交互：学习ASR→NLP→TTS的语音交互开发流程，掌握语音交互设计实现流程；

（10）机器人操作系统：基于复合升降机器人平台学习机器人操作系统ROS（Robot Operating System）与ROS2，掌握ROS通信原理，机器人功能开发原理，并利用ROS进行机器人虚拟仿真实验与真实控制；

（11）机器人二次开发：通过机器人各部分API接口、开放外部接口与ROS开源功能包适配各类外部器件，完成指定场景应用与特定功能实现；

1.5.3教学资源与平台

复合升降机器人实训平台提供由浅入深的二次开发教学资源以及开发平台，用户可在官网论坛查找相关产品资料，并且开发人员会在论坛中分享二次开发示例源码、开发原理及经验，为用户提供二次开发的技术帮助。

部分教学资源截图如下：

教学资源图1 机械臂实训手册

 

教学资源图2 机械臂ROS实训手册

教学资源图3 移动底盘实训手册

教学资源图4 实训教学视频

 

教学资源图5 视觉识别实训文档

教学资源图6 机械臂实训教学资料

教学资源图7 基础教学资料

教学资源图8 综合实训教学资料

在提供全套的实训资料外，还设置了产品论坛，旨在方便客户及时获取产品最新资料以及二次开发案例，全力辅助用户二次开发，形成良好的产品拓展与开发氛围。

论坛资源图

1.6、主要技术参数

1.7、工作流程

二、主要硬件配置介绍

产品主要由移动底盘、竖直导轨、机械臂、视觉传感器、末端执行器、主控模块组成。移动底盘是所有设备的安装平台，可以进行建图、导航、避障等操作；竖直导轨用来提升机械臂在高度上的空间移动；机械臂、视觉传感器、末端执行器统一作为执行系统，完成用户设定的工作，主控模块是整个产品的控制单元负责处理视觉图像并为执行系统下达任务指令。

2.1、机械臂

图三 RM75-B

主要技术参数：

（1）自由度：7

（2）最大工作半径：610mm

（3）负载：5Kg

（4）重量：7.8Kg

（5）供电电压：DC20-30 额定DC24V

（6）重复定位精度：±0.05mm

（7）功耗：最大功耗≤200W 综合功耗≤100W

（8）防护等级：IP54（机械臂本体）

（9）材质：铝合金

（10）控制器：集成

（11）通讯方式：WIFI/网口/蓝牙/USB串口/RS485

（12）控制方式：拖拽示教/示教器/API/JSON

（13）关节运动范围：Joint1：±178° Joint2：±130° Joint3：±178° Joint4：±135°Joint5：±178° Joint6：±128° Joint7：±360°

（14）关节最大速度：Joint1-Joint2：180°/s Joint3-Joint7：225°/s  

2.2、竖直导轨

竖直导轨主要搭载机械臂系统及主控单元，由机械臂控制器进行驱动导轨电机，带动升降机构运动，产品如图所示：

图四 升降导轨

与传统形式的复合机器人相比，增加了升降系统，进一步扩展了机器人的工作空间。升降导轨由两个相互配合的导轨构成，分别安装在机器人的底座和移动平台上。导轨采用高强度合金钢材料制成，表面经过特殊处理，以提供更好的耐磨性和抗腐蚀性。导轨之间配有滑块，以确保运动的平稳性和准确性。

升降导轨的主要功能是支持和引导机器人在垂直方向上的运动。它们确保机器人能够稳定地上下移动，并且保持水平和对齐。升降导轨具有高刚性、高精度和耐磨性等特点。它们能够承受机器人的重量并保持稳定，同时能够在长期使用中保持良好的运动性能。

本产品使用导轨参数如下：

产品名称	竖直导轨
模组类型	滚珠丝杠
额定功率	280W
工作电压	24V
宽度	125mm
重复精度	0.1mm
最快速度	150mm/s
竖直使用负载能力	30kg
定位精度（升降）	±1mm

2.3、视觉传感器

视觉感知传感器安装在机械臂末端。实现对视野范围内物体的识别和定位，从而为移动和抓取提供输入。其参数如下：

图 5 RealSense 相机示意图

序号	参数名称	参数值
1	型号	Intel Realsense D435C
2	深度视场角	87°*58°
3	深度分辨率	1280*720
4	理想使用范围	0.3m~3m
5	尺寸	90mm*25mm*25mm
6	供电	5V
7	通讯	USB3.0

2.4、末端执行器

基于系统设计小巧、美观的原则，避免线缆和设备过多，选取电动夹爪，舍弃气动夹爪。将执行器直接集成在机械臂末端。

末端执行器是一款利用小体积大扭矩直线伺服驱动器设计生产的电动夹爪。该夹爪内部集成了1个直线伺服驱动器，用户接口采用RS485通信接口，内置灵敏的压力传感器，通过设置不同的压力阈值方便用户进行不同硬度物体的夹取。

这款夹爪可设置爪子张合时的速度、力度、位置。其中速度设置范围为0~255，力度设置范围为0~255，位置设置范围为0~255。电动夹爪最大开口为70毫米，最高可实现1.5Kg的夹持力。

图六 末端执行器

2.5、主控制器

主控模块是整个系统的控制中枢，主要负责以下功能：

（1）接收用户指令，上传系统状态；

（2）可通过 USB3.0 接收视觉传感器，对目标物体进行识别和定位；

（3）可通过网口与机械臂通信，发送机械臂控制指令，获取机械臂状态信息；

（4）可通过网口与移动底盘通信，发送底盘控制指令，获取底盘状态信息等；

（5）负责两块屏幕的显示及接收信息。

该模块选用该模块选择 Nvidia Jetson XAVIER NX 模组，该模组预装 Ubuntu18.04 系统，配备6核Carmel架构@V8.264bitCPU，384核Volta架构的 GPU 及 48 个 TensorCore，能带来 21TOPS 的 INT8 运算能力，尺寸只有90mm*103mm*35mm，十分适用于移动平台的视觉处理任务。

图 7 主控模块视觉处理模块

参数如下表所示：

序号	参数名称	参数值
1	型号	Jetson Xavier NX
2	GPU	384核Volta架构的GPU
3	CPU	6核Carmel架构@V8.264bitCPU
4	显存	8GB 128-bit LPDDR4x51.2GB/s
5	存储	8GB内存
6	操作系统	Ubuntu18.04
7	网口数量	1
8	USB3.0 接口数量	4
9	显示	HDMI和DP
10	尺寸	90mm*103mm*35mm

2.6、可移动底盘

移动底盘为机器人的主要运动和承载部分，负责对室内环境进行建图，同时路径规划后到达用户指定位置进行作业。另外，具备自动充电功能，当系统电量不足时，可自主移动到充电桩处充电。

移动底盘配套充电桩，外形及参数如下所示：

图 8 移动底盘

序号	参数名称	数值
1	尺寸（直径*高）	505*280
2	重量（Kg）	50
3	负载（Kg）	60
4	驱动方式	六轮（2个驱动轮+4个万向轮） 差速驱动+主动悬挂 250W轮毂伺服电机 x2
5	导航方式	激光雷达导航
6	导航精度（cm）	±5
7	电池参数	32Ah
8	对外供电	24V/20A
9	通讯接口	网口/WIFI
10	工作时长（小时）	静止可运行20小时，无负载运行（0.7m/s）可运行11小时
11	传感器	10m激光测距雷达、深度摄像头（视角： H=58.4°V=45.5°，距离：0.35~2m）、超声波测距传感器

三、配置清单一览表

序号	产品名称	规格型号	数量	单位
1	超轻量仿人机械臂	RM75-B	1	套
1	机械臂示教器	配套	1	套
2	移动底盘	Water2	1	套
3	电动夹爪	EG2-SF16	1	套
4	升降导轨	RML125	1	套
5	相机	Realsense D435C	1	套
6	主控	Nvidia Jetson XAVIER NX	1	套
7	零售软件系统	-	1	套
8	电气配件	-	1	套
9	外壳	定制	1	套
10	显示器（选配）	-	1	套
11	无线键鼠（选配）	-	1	套

四、方案供应商

4.1、公司简介

睿尔曼是一家专注于超轻量仿人机械臂研发、生产及销售的国家高新技术企业，总部位于北京市石景山首特产业园，工厂建于江苏省常州科教城智能数字产业园内，下属另设有睿尔曼智能科技（深圳）有限公司全资子公司。公司集研发、生产、办公于一体，年综合产能20000 台以上。

自2010年起，睿尔曼便踏上了超轻量仿人机械臂的创新之旅，作为该领域的引领者，它始终坚守着产品研发与技术创新的初心。其核心团队汇聚了中国早期机器人底层技术研发的精英，他们在这一领域深耕细作，积累了超过十年的深厚底蕴和丰富经验。正是这样的团队，能够从基因层面进行机械臂的原型设计和底层零部件的自主研发，从而在控制器、驱动器、电机、减速器这四大核心零部件上实现了革命性的突破，打造出具有完全自主知识产权的超轻量仿人机械臂。

如今，睿尔曼的产品已广泛应用于AI零售、新餐饮、商业服务、智能巡检、医疗健康、检验检疫、教育科研、工业生产、航空航天等多个领域，其智能、通用模块化的机械臂本体，融合了先进的软硬件与人机交互技术，为客户提供了高性价比、高可靠性、易操作的超轻量仿人机械臂及集成解决方案。

睿尔曼不仅拥有多年的机器人产品研发经验，更与北京航空航天大学、北京理工大学、中国农业大学等多所知名高校建立了紧密的战略合作关系，共同搭建了一个全方位、专业互补的创新研发平台。它始终怀揣着一个梦想：致力于让机械臂成为通用的智能化工具，让机器人走入千家万户，为美好生活助一臂之力！

4.2、公司资质