CN101570020A - 机器人运动序列的编程方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人运动序列的在线编程方法及装置，该方法包括如下步骤：S1、用户设定机器人的初始位姿；S2、设置机器人运动过程中若干位姿，并将其保存为一系列关键运动帧；S3、运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧；S4、调整该键运动帧或连接运动帧；S5、代码生成器将运动序列转化为机器人执行的程序控制代码；S6、将程序控制代码载入机器人。本发明还公开了一种机器人运动序列的离线编程方法及装置。本发明使得操作更为直观方便，无需专业知识，扩大了机器人运动序列编程的普及面，使之可以为非专业人事广泛使用。同时，本发明可以普及至所有多关节的机器人运动的编程。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人运动的编程方法，特别是涉及一种机器人运动序列的编程方法及其装置。
背景技术
要让机器人完成一个动作或实现一个行为，必须预先对机器人发出指示，规定机器人将要进行的动作的具体内容，也就是实现其运动序列的编程。而随着机器人日益复杂化，机器人运动序列的编程越来越复杂。怎样更加直观生动、简单易行的为机器人运动序列进行编程成为越来越重要的问题。
为此市面上出现不少程序，比如微软公司的Robotic Studio机器人开发软件的编程，采用图形化的编程方式，无需编写代码，只需拖入相应的图形模块，进行设置和连接就可以实现机器人的编程。但是这种编程方式仍然需要专业的编程思维活动，对机器人每个关节的运动进行逻辑判断和规划，并不适合普通用户。
在机器人领域，存在着一种示教式的编程方式。操作者预先进行示教，机器人记忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。这种编程方式一般用于工业机械手臂，并不适合多关节机器人。因为多关节机器人关节数量非常多，操作者很难在同一时刻对十几个甚至几十个关节进行示教操作。同时由于多关节机器人的运动很复杂，操作者也很难想象出每一瞬间多关节机器人的某一关节该怎样运动。
经检索还发现，美国发明专利申请号为20050149231，专利名称为“Method and a system for programming an industrial robot”(一种针对工业机器人的编程方法和系统)公开了一种针对工业机器人的编程方法，该方法先是取得机器人路径中一些点的信息，并用存储单元将他们存起来，然后利用已存储的点的信息和虚拟的机器人模型，仿真出机器人的路径，并由一个图形生成模块生成一个由图形表示的路径来代替虚拟机器人的路径。但此方法在编程的时候并没有采用三维图形控制，只是在显示时以三维图形形象的显示出机器人的路径。而且该方法仍然不能适应多关节机器人这种多关节机器人运动序列的编程。
因此，有必要开发一种新型的机器人运动序列的编程系统，使机器人的程序开发更加直观，用户更易于操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术编程方法专业性过强，不适合非专业人事进行操作的缺陷，提供一种机器人运动序列的编程方法及其装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种机器人运动序列的在线编程方法，其特点在于，该在线编程方法包括如下步骤：
S1、用户设定机器人的初始位姿；
S2、设置机器人运动过程中若干位姿，并将其保存为一系列关键运动帧；
S3、运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧；
S4、调整该键运动帧或连接运动帧；
S5、代码生成器将运动序列转化为机器人执行的程序控制代码；
S6、将程序控制代码载入机器人。
其中，步骤S1包括如下的步骤：
S11a、用户通过直接搬动该机器人的各个关节模块设定其初始位姿；
S12a、点击编辑器中的同步或反向同步按钮使三维仿真模型与该机器人同步动作，调整到初始位姿。
其中，步骤S1包括如下的步骤：
S11b、用户通过在该编辑器上拖拉该三维仿真模型的各个关节的位置，设定该三维仿真模型的初始位姿；
S12b、点击编辑器中的同步或反向同步按钮使该机器人与该三维仿真模型同步动作，调整到初始位姿。
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21a、用户基于该机器人初始位姿的基础上，通过直接搬动该机器人的各个关节模块获得运动过程中的若干位姿；
S22a、该机器人的各个关节模块将当前该关节模块所处的位置参数反馈给该编程器，则该编程器中的三维仿真模型得到关节模块的位置参数后伴随该机器人的运动显示与之相同的位姿；
S23a、用户点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21b、用户在该编程器上调整该三维仿真模型的位姿，该编程器同时将三维仿真模型中各个关节模块的位姿参数反馈给该机器人，该机器人根据所获得的关节模块位置参数实现与该三维仿真模块的同步动作；
S22b、用户点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21c、用户基于该机器人初始位姿的基础上，通过直接搬动该机器人的各个关节模块获得运动过程中的若干位姿；
S22c、该关节模块将当前所处的位置参数反馈给该编程器，则该编程器中的三维仿真模型获得关节模块位置参数后伴随该机器人的运动显示与之相同的位姿；
S23c、用户在该编程器上进一步调整该三维仿真模型的位姿；
S24c、用户获得满足要求的关节模块位姿后，点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
其中，用户通过拖拽该三维仿真模型的各个相关关节模块或拉动滚动条的方式调整该三维仿真模型的位姿。
其中，用户通过在该编辑器内直接输入待运动关节模块相对于目前位置变化的相对运动角度来调整该三维模型的位姿。
其中，在执行步骤S3前，用户通过反复执行S2的相关步骤直至获得预想的机器人运动过程的一系列关键运动帧。
其中，在步骤S4中用户通过再次搬动该机器人的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
其中，在步骤S4中用户通过调整该三维仿真模型中的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
其中，在步骤S4中用户通过在编辑器中添加或删除不满意的关键运动帧或连接运动帧。
一种机器人运动序列的离线编程方法，其特点在于，该离线编程方法包括如下步骤：
T1、启动编辑器；
T2、在编辑器中调整三维仿真模型运动过程中若干位姿，并将其保存为一系列关键运动帧；
T3、运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧；
T4、调节、修改关该键运动帧或连接运动帧；
T5、代码生成器将运动序列转化为机器人执行的程序控制代码；
其中，步骤T2中用户通过拖拽该三维仿真模型的各个相关关节模块或拉动滚动条的方式设置该三维仿真模型的位姿。
其中，步骤T2中用户通过在该编辑器内直接输入待运动关节模块相对于目前位置变化的相对运动角度来设置该三维模型的位姿。
其中，在执行步骤T3前，用户通过反复执行T2的相关步骤直至获得预想的机器人运动过程的一系列关键运动帧。
其中，步骤T4中用户调整三该维仿真模型中的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
其中，步骤T4中用户在编辑器中添加或删除不满意的关键运动帧或连接运动帧。
一种机器人运动序列的在线编程装置，其特点在于，该在线编程装置包括：
初始位姿设置模块，用于设置机器人的初始位姿；
关键运动帧创建模块，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；
连接运动帧生成模块，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；
调整模块，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；
代码转换模块，用于运动序列转化为程序控制代码；
下载模块，用于下载该程序控制代码。
一种机器人运动序列的离线编程装置，其特点在于，该离线编程装置包括：
关键运动帧创建模块，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；
连接运动帧生成模块，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；
调整模块，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；
代码转换模块，用于运动序列转化为程序控制代码。
本发明的积极进步效果在于：本发明中通过用户直接搬动机器人相关关节模块和简单地拖拽仿真模型相关关节模块等方式进行编程，由于机器人关节模块和编程器间存在即时的反馈和调动，使得操作更为直观方便，无需专业知识，扩大了机器人运动序列编程的普及面，使之可以为非专业人事广泛使用。同时，本发明可以普及至所有多关节的机器人运动的编程。
附图说明
图1为本发明的机器人运动序列的在线编程装置结构示意图。
图2为本发明的机器人运动序列的离线编程装置结构示意图。
图3为本发明的机器人运动序列的在线编程方法一实施例的流程图。
图4为本发明的机器人运动序列的在线编程方法另一实施例的流程图。
图5为本发明的机器人运动序列的离线编程方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
所有实施例中采用的编程器为基于PC和Windows操作系统的软件平台，三维仿真模型采用OPENGL编写。
实施例中的多关节机器人采用类人机器人为例，该类人机器人由主控制器和18个关节模块组成。主控制器使用ARM9微处理器，运动关节模块采用广茂达伙伴机器人有限公司销售的AI-Servo(智能型伺服马达)，主控制器通过USB连接线与PC上的编程器相连接，同时主控制器通过485总线与每台AI-Servo通讯。每台AI-Servo里面有一片ATMega8单片机、传感器、电机和电机驱动电路。每台AI-Servo在485总线上有各单独的ID，从而能够接收到主控制器发给它的指令，根据该指令闭环控制关节电机转动的速度和位置，使该关节模块按照指定的速度转动到要求的位置；AI-Servo也能把当前关节模块的位置角度、力矩等信息通过相关传感器采集后经由485总线反馈给主控制器，使每个关节具有位置控制与讯号回馈的能力。
图1为本发明中的在线编程装置的结构示意图，其包括：一初始位姿设置模块1，用于设置机器人的初始位姿；一关键运动帧创建模块2，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；一连接运动帧生成模块3，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；一调整模块4，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；一代码转换模块5，用于运动序列转化为程序控制代码；以及下载模块6，用于下载该程序控制代码。
图2为本发明中的离线编程装置的结构示意图，其包括：一关键运动帧创建模块7，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；一连接运动帧生成模块8，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；一调整模块9，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；一代码转换模块10，用于运动序列转化为程序控制代码
图3为本发明在线编程的工作流程图。其包括如下步骤：
步骤100，将类人机器人的主控制器和安装了编程器的PC用USB接线连接起来，保证系统工作正常。
步骤101，用户搬动类人机器人的关节模块使之位于一个初始位姿。
步骤102，点击编辑器的“同步”或“反向同步”按钮，使得编辑器中的三维仿真模型与类人机器人同步运动。
其中，由于类人机器人的关节运动与三维反正模型的关节运动是相互联系一一对应的，故步骤101和步骤102亦可采用图4中的步骤101’和步骤102’代替，即，步骤101’用户在编辑器中拖动三维仿真模型的各个关节模块，使之位于用户需要的初始位置，步骤102’点击编辑器的“同步”或“反向同步”按钮，编辑器将关节模块的运动信息反馈至类人机器人各个关节模块完成机器人初始位置的同步设定。相同的，图4中的步骤101’和步骤102’可分别采用步骤101和步骤102进行代替。
步骤103，用户搬动类人机器人的若干关节模块时，每个关节模块的AI-Servo检测到关节模块位置角度的变化，就把变化后的位置角度信息通过485总线传送给主控制器。主控制器收到发生变化的关节的ID号和相应变化后关节的位置角度，然后把这些信息整理后，通过USB连线发给编程器。编程器收到这些关节的ID号和相应的位置信息后，控制类人机器人的三维仿真模型的相应ID号的关节转动到对应的位置。其中，该位置角度为关节模块相对于未动作时位置的相对变化角度。
步骤104，用户点击按钮将当前关节模块的位置信息保存下来，成为一关键运动帧。
步骤105，反复步骤103和步骤104的操作，得到类人机器人运动过程中的若干关键位置，并保存为一系列关键运动帧。
步骤106，运动序列生成器自动生成连接各个关键运动帧的连接运动帧。在此需要说明的是，与美国发明专利申请号20050149231的专利相比，本发明的一显著不同在于，该连接运动帧并非针对单一关节的运动路径进行运动过程的补充，而是结合整个类人机器人的所有关节模块，根据其动作对整个机体做一个联动的补充。
步骤107，用户通过在编辑器中添加、删除、编辑或修改关键运动帧或连接运动帧对类人机器人的动作进行调整。
其中，对于关键运动帧的编辑和修改可以通过重新搬动类人机器人的关节模块保存为新的关键运动帧进行取代，或也可直接在三维仿真模型上拖拽相关关节模块保存为新的关键运动帧进行取代。对于连接运动帧的编辑和修改方式和关键运动帧的相同。
步骤108，代码生成器将编辑好的运动序列转换为类人机器人可实际运行的程序控制代码。
步骤109，用户将步骤108中所生成的程序控制代码载入类人机器人，即可进行运动仿真。
图4为本发明在线编程的另一工作流程图，与图3相比其不同点在于，可以在三维仿真模型中对类人机器人的不同位姿进行设定，即采用步骤103取代图1中的步骤103，即，用户可采用拖拽三维仿真模型中的关节模块、拉动滚动条或直接输入某一关节相对其前一位姿的变化角度来调整三维仿真模型。此时编程器就把该关节的ID号和调整后的关节位置信息通过USB接线发给主控制器，主控制器再把这个指令通过485总线发给相应ID号的AI-Servo，AI-Servo控制类人机器人的关节模块转动到指定位置。从而通过调整三维仿真模型的关节模块，使得类人机器人也跟着运动的功能。
在对类人机器人的不同位姿进行调整时，也可以同时采用步骤103和103中的调整方法，先直接搬动关节，再通过仿真模型调整；也可以先通过仿真模型调整，再直接搬动关节调整。
图5为本发明离线编程的工作流程图，其与在线编程的区别在于，无需连接类人机器人，直接在编辑器中对类人机器人的运动进行编程和仿真。其包括如下步骤：
步骤200，启动编辑器。
步骤201，用户在三维仿真模型中采用拖拽相关关节模块、拉动滚动条或直接输入某一关节相对其前一位姿的变化角度来设定该三维仿真模型的在运动过程中某一动作的位姿。
步骤202，用户得到预想的三维仿真模型的位姿后，点击确认按钮将当前的位姿信息保存为一关键运动帧。
步骤203，用户可反复执行步骤201和步骤202直至得到预想的三维仿真模型的运动轨迹，由三维仿真模型生成一系列关键运动帧。
步骤204，运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧。
步骤205，用户通过在编辑器中添加、删除、编辑或修改关键运动帧或连接运动帧对三维仿真模型的动作进行调整。
其中，对于关键运动帧的编辑和修改可以通过直接在三维仿真模型上拖拽相关关节模块保存成新的关键运动帧进行取代。对于连接运动帧的编辑和修改方式和关键运动帧的相同。
步骤206，三维仿真模型生成类人机器人的运动序列后进行仿真。
本发明的编程方法除了可进行类人机器人运动序列的编程外，还可同时对三维仿真环境和场景进行编程。通过对环境参数进行设置，例如地面的磨擦系数、障碍物的材料等的改变，设定一种符合用户需求的仿真环境。类人机器人可以在该仿真环境中进行仿真，在仿真环境中各物体间存在相互作用，可进行三维仿真模型的动力学和运动学的分析，例如计算类人机器人运动过程中的重心位置等。
本发明实现了一种直接、简单的机器人运动序列编程的系统和方法，有效降低了机器人运动序列的编程难度，为普及推广机器人奠定了基础。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (20)
1、一种机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，该在线编程方法包括如下步骤：
S1、用户设定机器人的初始位姿；
S2、设置机器人运动过程中若干位姿，并将其保存为一系列关键运动帧；
S3、运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧；
S4、调整该键运动帧或连接运动帧；
S5、代码生成器将运动序列转化为机器人执行的程序控制代码；
S6、将程序控制代码载入机器人。
2、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，步骤S1包括如下的步骤：
S11a、用户通过直接搬动该机器人的各个关节模块设定其初始位姿；
S12a、点击编辑器中的同步或反向同步按钮使三维仿真模型与该机器人同步动作，调整到初始位姿。
3、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，步骤S1包括如下的步骤：
S11b、用户通过在该编辑器上拖拉该三维仿真模型的各个关节的位置，设定该三维仿真模型的初始位姿；
S12b、点击编辑器中的同步或反向同步按钮使该机器人与该三维仿真模型同步动作，调整到初始位姿。
4、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S21a、用户基于该机器人初始位姿的基础上，通过直接搬动该机器人的各个关节模块获得运动过程中的若干位姿；
S22a、该机器人的各个关节模块将当前该关节模块所处的位置参数反馈给该编程器，则该编程器中的三维仿真模型得到关节模块的位置参数后伴随该机器人的运动显示与之相同的位姿；
S23a、用户点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
5、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S21b、用户在该编程器上调整该三维仿真模型的位姿，该编程器同时将三维仿真模型中各个关节模块的位姿参数反馈给该机器人，该机器人根据所获得的关节模块位置参数实现与该三维仿真模块的同步动作；
S22b、用户点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
6、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S21c、用户基于该机器人初始位姿的基础上，通过直接搬动该机器人的各个关节模块获得运动过程中的若干位姿；
S22c、该关节模块将当前所处的位置参数反馈给该编程器，则该编程器中的三维仿真模型获得关节模块位置参数后伴随该机器人的运动显示与之相同的位姿；
S23c、用户在该编程器上进一步调整该三维仿真模型的位姿；
S24c、用户获得满足要求的关节模块位姿后，点击确认按钮将当前的位姿参数保存为一关键运动帧。
7、如权利要求5或6任一项所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，用户通过拖拽该三维仿真模型的各个相关关节模块或拉动滚动条的方式调整该三维仿真模型的位姿。
8、如权利要求5或6任一项所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，用户通过在该编辑器内直接输入待运动关节模块相对于目前位置变化的相对运动角度来调整该三维模型的位姿。
9、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，在执行步骤S3前，用户通过反复执行S2的相关步骤直至获得预想的机器人运动过程的一系列关键运动帧。
10、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，在步骤S4中用户通过再次搬动该机器人的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
11、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，在步骤S4中用户通过调整该三维仿真模型中的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
12、如权利要求1所述的机器人运动序列的在线编程方法，其特征在于，在步骤S4中用户通过在编辑器中添加或删除不满意的关键运动帧或连接运动帧。
13、一种机器人运动序列的离线编程方法，其特征在于，该离线编程方法包括如下步骤：
T1、启动编辑器；
T2、在编辑器中调整三维仿真模型运动过程中若干位姿，并将其保存为一系列关键运动帧；
T3、运动序列生成器自动生成连接该系列关键运动帧的连接运动帧；
T4、调节、修改关该键运动帧或连接运动帧；
T5、代码生成器将运动序列转化为机器人执行的程序控制代码；
14、如权利要求14所述的机器人运动序列的离线编程发法，其特征在于，步骤T2中用户通过拖拽该三维仿真模型的各个相关关节模块或拉动滚动条的方式设置该三维仿真模型的位姿。
15、如权利要求14所述的机器人运动序列的离线编程方法，其特征在于，步骤T2中用户通过在该编辑器内直接输入待运动关节模块相对于目前位置变化的相对运动角度来设置该三维模型的位姿。
16、如权利要求14所述的机器人运动序列的离线编程方法，其特征在于，在执行步骤T3前，用户通过反复执行T2的相关步骤直至获得预想的机器人运动过程的一系列关键运动帧。
17、如权利要求14所述的机器人运动序列的离线编程方法，其特征在于，步骤T4中用户调整三该维仿真模型中的相关关节模块后，将新位姿重新保存为一关键运动帧。
18、如权利要求14所述的机器人运动序列的离线编程方法，其特征在于，步骤T4中用户在编辑器中添加或删除不满意的关键运动帧或连接运动帧。
19、一种机器人运动序列的在线编程装置，其特征在于，该在线编程装置包括：
初始位姿设置模块，用于设置机器人的初始位姿；
关键运动帧创建模块，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；
连接运动帧生成模块，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；
调整模块，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；
代码转换模块，用于运动序列转化为程序控制代码；
下载模块，用于下载该程序控制代码。
20、一种机器人运动序列的离线编程装置，其特征在于，该离线编程装置包括：
关键运动帧创建模块，用于创建机器人不同位姿的关键运动帧；
连接运动帧生成模块，用于生成连接该关键运动帧的连接运动帧；
调整模块，用于调整该关键运动帧和连接运动帧；
代码转换模块，用于运动序列转化为程序控制代码。
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