CN103213136A - 一种用于工业机器人牵引示教的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于工业机器人牵引示教的方法和系统，包括三维压力变送装置，用于感受沿着三个正交空间维度的压力；还包括与所述的三维压力变送装置相连的主控制器，用于感受来自所述的三维压力变送装置的压力信号，并结合其内部的位姿传感器信号，计算操作人员的控制意图，并转化为运动指令发送至工业机器人，以使工业机器人同步运动；还包括磁性吸附装置，用于产生磁场；还包括球状固定端，用于吸附所述的磁性吸附装置，防止磁性吸附装置脱落，并为球状吸附装置提供较大的调整、转动空间。

Description

一种用于工业机器人牵引示教的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于工业机器人的现场示教装置，特别是一种手持式牵引示教的方法和系统。

背景技术

目前，各种结构形式的工业机器人广泛应用于各种工业自动化场合，完成各种复杂任务。由于工业生产中任务复杂多变，企业为提高作业效率，需要能够高效地切换任务、调整设备和程序，进而需要提高工业机器人的编程效率，缩短编程时间。但是，工业机器人的编程方式有其不足之处。

通常来说，目前工业机器人的多采用示教方式完成程序输入。所谓示教，即将特定路径的起点、终点、关键点坐标值及运动方式预先存储在机器人控制器中，由运动控制器根据起点、终点、关键点的坐标值，按照指定的运动方式完成路径规划和轨迹插补，进而驱动工业机器人沿着该特定路径运动，并在此过程中驱动外部设备的过程，外部设备可以为焊枪、喷枪、手抓等。

目前，工业机器人采用的示教方式主要有三类：一是现场示教，多采用示教盒，由工作人员引导工业机器人沿着预期路径行走，并记录若干点路径坐标，然后由操作人员调用该路径坐标，使机器人依次运动，该方式直观简便，对操作人员技术水平要求低，但是效率较低、占用生产时间、误差较大且不可控；二是虚拟示教，通过计算机构建工业机器人、作业环境、工件的三维模型，通过拾取三维模型的边缘特征的方法等获取作业曲线，自动生成运动程序，然后传送至工业机器人，完成作业，该方式高效，并且能够与数字化的三维模型完美结合，但是对操作人员要求高，且其三维模型与实际设备的完全一致性无法保证，对工业机器人绝对精度要求较高，若理论位置和实际位置偏差过大，会引起碰撞或作业质量低下；三是牵引示教，由操作人员驱动六自由度手腕，该手腕将操作人员手部的牵引力、扭转力矩经解耦计算，分析出操作人员的控制意图，并发送给工业机器人控制器，工业机器人控制器根据该压力和扭转力矩数值的大小和方向，驱动工业机器人各个关节协调运转，实现随动、伺服控制，该方式高效、直观、可靠，但是目前六自由度手腕的价格较高，机器人一般没有配备与该手腕进行通讯的接口和协议，需要对机器人二次开发，添加软件或硬件设备，完成机器人与手腕的通讯和控制。

如前所述，三种示教方式，都有一定的不足，影响了生产效率。因而，设计一种简单、方便、价格低廉、易于操作维护的工业机器人示教装置尤为关键。

发明内容

为了解决牵引示教中六自由度手腕价格较高、必须二次开发的问题，本发明提出了一种基于压力传感器和三维位姿传感器的手持式示教装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于工业机器人牵引示教的方法和系统，包括三维压力变送装置，用于感受沿着三个正交空间维度的压力；还包括与所述的三维压力变送装置相连的主控制器，用于感受来自所述的三维压力变送装置的压力信号，并结合其内部的位姿传感器信号，计算操作人员的控制意图，并转化为运动指令发送至工业机器人，以使工业机器人同步运动；还包括磁性吸附装置，用于产生磁场；还包括球状固定端，用于吸附所述的磁性吸附装置，防止磁性吸附装置脱落，并为球状吸附装置提供较大的调整、转动空间。

本发明的有益效果是：一、系统结构简单，成本较低；二、操作人员操作方便，易于适应；三、提高了现场示教的效率。

附图说明：

图1是用于工业机器人牵引示教装置的系统结构图；

图2是三维压力变送装置的结构图；

图3是主控制器的结构图；

图4是气囊配气与检测装置的结构图；

图5是磁性吸附装置的结构图；

图6是本发明所采的方法相对应的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种用于工业机器人牵引示教的系统，包括三维压力变送装置1、主控制器2、磁性吸附装置3、球状固定端4。

所述的三维压力变送装置1，用于感受沿着空间三个维度的压力大小和方向，内有一六面体芯，其输出接口为六个柔性气体管路，每个柔性气体管路与所述的主控制器2连接，用于接受来自所述的主控制器2压力气体，并将六面体芯上的压力传送至主控制器2；

进一步，所述的三维压力变送装置1与所述的主控制器2的外壳通过双头螺钉(图中未示出)固定连接；

所述的主控制器2，用于处理来自所述的三维压力变送装置1的压力信号，并结合系统当前位姿，进而判断操作人员的控制意图，并转换为运动指令发送给工业机器人；

进一步，所述的主控制器2的外壳与所述的磁性吸附装置3通过螺钉(图中未示出)固定连接；

所述的磁性吸附装置3，接受来自所述的主控制器2的电流信号，用于改变其磁场吸附力的大小；

进一步，所述的磁性吸附装置3顶部有球形凹槽；

所述的球状固定端4，其表面为球体，且该球体半径与所述的磁性吸附装置3顶部的球形凹槽半径相等；

进一步，所述的磁性吸附装置3可以绕着所述的球状固定端4转动，用于调整所述的三维压力变送装置1、主控制器2、磁性吸附装置3的姿态；

参照图2，所述的三维压力变送装置1，包括六面体芯5、薄膜式压力气囊6、主壳体7、侧壳体8、顶壳体9和底壳体10；

所述的六面体芯5的六个面上有凹槽，并在凹槽侧边有柔性气体管路安装孔；

进一步，所述的六面体芯5的顶部有螺纹孔，用于与主控制器2的外壳的固定连接；

所述的薄膜式压力气囊6总计六个，安装于所述的六面体芯5的相应凹槽内，所述的薄膜式压力气囊6带有柔性充气管路，该充气管路材料为中空的柔性塑料管道，并安装于所述的六面体芯5的柔性管路安装孔中；

所述的主壳体7、侧壳体8、顶壳体9和底壳体10通过螺钉(图中未示出)连接，安装在所述的六面体芯5的外围，并与所述的薄膜式压力气囊6的顶部相接触；

进一步，所述的顶壳体9有通孔，用于通过螺钉和柔性气体管路；

参照图3，所述的主控制器2包括：主控制板11、多路开关12、气囊配气与检测装置13、电流输出回路14、位姿传感器15、微型气泵16、多位连通器17、电流转换开关18；

所述的主控制板11，与所述的多路开关12、气囊配气与检测装置13、电流输出回路14、位姿传感器15、微型气泵16、电流转换开关18相连，用于接受传感器信息，经过运算处理后发送控制指令；

所述的多路开关12，与所述的气囊配气与检测装置13相连接，根据所述的主控制板11的控制信号，将来自所述的气囊配气于检测装置13的压力信号逐个按次序发送至主控制板11；

所述的气囊配气与检测装置13总计六个，与所述的薄膜式压力气囊6的充气管路相连，用于将气体压入所述的薄膜式压力气囊6；

进一步，在工作过程中，所述的气囊配气与检测装置13检测所述的薄膜式压力气囊6的气体压力变化，并将检测数据发送至所述的多路开关12；

所述的电流输出回路14与所述的主控制板11相连，用于接受来自所述的主控制板11的控制信号，进而改变其输出电流的大小；

所述的位姿传感器15与所述的主控制板11相连，用于将系统当前位姿反馈给所述的主控制板11，此处所述的系统当前位姿指该位姿传感器在地磁场中所感知的俯仰角、偏航角和滚动角；

进一步，所述的位姿传感器15，使用的位姿传感器芯片型号可以是意法半导体的L3G4200D或相近功能、规格的产品；

所述的微型气泵16与所述的主控制板11相连，接受来自所述的主控制板的启动和停止信号；

进一步，所述的微型气泵16的气体输出端与所述的多位连通器17相连；

所述的多位连通器17用于将来自所述的微型气泵16的气体为无差别的输送至所述的气囊配气与检测装置13；

所述的电流转换开关18与所述的主控制板11相连，所述的主控制板11收到来自所述的电流转换开关18的电平信号后，改变所述的电流输出回路14的电流大小；

进一步，所述的电流转换开关18可以是电阻式、电容式、薄膜式或机械式开关；

进一步，所述的电流转换开关18可以安装于所述的主壳体7、侧壳体8、顶壳体9和底壳体10组合而成的外壳上；此种情况下，当操作人员握持该外壳后，所述的电流转换开关18闭合，表示进入牵引移动模式，从而所述的主控制板11发送指令给所述的电流输出回路14增大输出电流，进而增大所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4之间的磁场力，防止所述的磁性吸附装置3和所述的球状固定端4在牵引时移动时脱离或者相对转动；

进一步，当操作人员松开该外壳后，所述的电流转换开关18断开，表示进入位姿调整模式或待机模式，从而所述的主控制板11发送指令给所述的电流输出回路14减小输出电流，进而减小所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4之间的磁场吸附力，使得所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4只能够在操作人员外力的作用下相互转动，但是不脱离；

参照图4，所述的气囊配气于压力检测装置13包括：气体三通接头19、单电控二位三通阀20，气体压力传感器21；

所述的气体压力传感器21与所述的气体三通接头19的一端相连，用于感知所述的气体三通接头19内的气体压力；

进一步，所述的气体压力传感器21的信号输出端E与所述的多路开关12的信号输入端相连，将气体压力信号发送给所述的多路开关12；

进一步，所述的气体压力传感器21的芯片型号可以是日本藤仓公司的XFGN-6025KPGSR或相近功能、规格的产品；

进一步，所述的气体三通接头19还与所述的薄膜式压力气囊6相连，用于将气体送入薄膜式压力气囊6，并将薄膜式压力气囊6的压力传送至所述的气体压力传感器21；

所述的单电控二位三通阀20的输出端口A与所述的气体三通接头19相连，其气体输入端口P与所述的多路联通器17相连；其电磁控制端口M与所述的主控制板11的输出端口相连，通过改变该输出端口的电平，控制所述的单电控二位三通阀20的阀芯位置，实现对所述的薄膜式压力气囊6充气。

参照图5，所述的磁性吸附装置包括：底座22、侧盖23、磁体安装筒24和连接杆25；

所述的底座22用于安装所述的主控制器2，其内部有孔，用于通过气体管路和电子线路；

所述的侧盖23共有二个，用于保护所述的主控制器2，并通过螺钉(图中未示出)与所述的底座21连接；

进一步，所述的电流转换开关18还可以安装在所述的侧盖23上；此种情况下，当操作人员操持所述的侧盖23时，所述的电流转换开关18闭合，表示进入位姿调整模式或待机模式，从而所述的主控制板11发送指令给所述的电流输出回路14调整输出电流，进而调整所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4之间的磁场力，使得所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4只能在操作人员外力的作用下相互转动，但是不脱离；

进一步，当操作人员松开所述的侧盖23后，所述的电流转换开关18断开，表示进入牵引移动模式，从而所述的主控制板11发送指令给所述的电流输出回路14增大输出电流，进而增大所述的磁性吸附装置3与所述的球状固定端4之间的磁场吸附力，防止所述的磁性吸附装置3和所述的球状固定端4在牵引时移动时脱离或者相对转动；

所述的磁体安装筒24用于产生磁场，其顶部有球形凹槽，该凹槽的半径与所述的球状固定端4的球体半径相同，所述的磁体安装筒24与所述的球状固定端4通过磁场力在凹槽处吸附贴合；

进一步，所述的磁体安装筒24内部有环状线圈安装孔，其材料为软磁或顺磁材料，从而线圈安装孔缠绕线圈(图中未示出)后产生较强磁场；该线圈与所述的电流输出回路14相连；

所述的连接杆25，一端与所述的球状固定端4通过螺钉(图中未示出)连接，另一端用于用于固定于工业机器人的末端。

参照图6，将详述本发明实现工业机器人牵引示教的方法；

系统上电后，进入系统启动(S10)状态，在该状态中，所述的主控制板11完成程序加载和状态提示；

然后进入初始位姿调整(S20)状态，在该状态中，所述的主控制板11读取所述的位姿传感器15的信号，判断系统是否在初始状态，如果不在初始状态，提示操作人员注意和调整，直至达到初始位姿要求；

进一步，在本状态S20中，操作人员可以通过所述的主控制板11调节所述的电流控制回路14的输出电流的大小，进而调节所述的磁性吸附装置3和所述的球状固定端4之间的吸附力的大小，使得所述的磁性吸附装置3既可以自由转动，又不至于跌落；本步骤调节后所得到的电流大小记录在所述的主控制板11的存储器中，作为所述的电流切换开关18动作后进入位姿调整模式时，所述的电流输出回路14的输出电流的参考值；

完成初始位姿调整(S20)后，进入气囊压力调整与校核(S30)状态；

在气囊压力调整与校核(S30)状态中，所述的主控制板11通过所述的多路开关12依次检测来自所述的薄膜式压力气囊6的压力；

进一步，如果某薄膜式压力气囊6低于预先设定的参考压力数值，则所述的主控制板11将启动所述的微型气泵16，并改变所述的单电控二位三通阀20的阀芯位置，对该薄膜式压力气囊充气，并实时读取气体压力传感器18输出的压力数值，在其压力达到参考压力范围内时，所述的主控制板11关闭微型气泵16；完成六个所述的薄膜式压力气囊6的压力调整校核后，进入操作人员控制与调整状(S40)状态；

在操作人员控制与调整(S40)状态中，操作人员可以操作由所述的主壳体7、侧壳体8、顶壳体9和底壳体10构成的外壳，向期望的方向运动，则此时相对应的一组薄膜式压力气囊6会因该外壳的相对挤压出现压力的升高和下降，所述的主控制板11通过所述的多路开关12检测到该组薄膜式压力气囊的压力差；

进一步，操作人员也可以操作由所述的侧盖22构成的壳体，进而调整所述的磁性吸附装置3和球状固定端4之间的相互位置，所述的主控制板11通过所述的位姿传感器15实时获取当前位姿信息；

在计算操作人员控制意图(S50)中，综合操作人员控制与调整(S40)状态中获取的压力差和当前位姿信息，计算出所期望的运动方向；

进一步，还可以根据该压力差的大小调整运动速度，做到零力控制；

完成运动方向和速度计算后，进入发送指令给工业机器人(S60)状态，在该状态中，所述的主控制板11根据工业机器人的指令格式和通讯接口协议，发送运动指令给工业机器人；

进一步，所述的主控板11可以有多种通讯方式，以适配不同厂家和类型的工业机器人。

Claims (13)

1.一种用于工业机器人牵引示教的手持系统，该系统包括：三维压力变送装置、与所述的三维压力变送装置相连的主控制器、磁性吸附装置、球状固定端。

2.如权利要求1所述的一种用于工业机器人牵引示教的手持系统，其特征在于：所述的三维压力变送装置包括六面体芯、安装在六面体芯凹槽内的薄膜式压力气囊以及组合式外壳，从而薄膜式压力气囊受到组合式外壳挤压时，气囊的内部压力发生变化。 

3.如权利要求1所述的一种用于工业机器人牵引示教的手持系统，其特征在于：所述的主控制器包括位姿传感器、电流输出回路、微型气泵、气囊配气与检测装置、多路开关、多位连通器和电流转换开关。

4.如权利要求3所述的主控制器，其特征为：所述的气囊配气与检测装置包括单电控二位三通阀、气体三通接头和气体压力传感器。 

5.如权利要求3所述的主控制器，其特征为：所述的电流转换开关可以安装在组合式外壳上或侧盖上，从而当电流转换开关闭合或断开后，主控制板改变电流输出回路电流的大小以改变磁场吸附力。

6.如权利要求1所述的一种用于工业机器人牵引示教的手持系统，其特征在于：所述的磁性吸附装置包括一个磁体安装筒。 

7.如权利要求6所述的磁性吸附装置，其特征在于：所述的磁体安装筒的材质为顺磁或软磁材料，顶部有球形凹槽，内部可以缠绕导线以产生磁场。 

8.如权利要求6所述的磁性吸附装置，其特征在于：所述的磁体安装筒的顶部凹槽的半径与所述的球状固定端的球体的半径相等。 

9.一种用于工业机器人牵引示教的方法，该方法使用具有三维压力变送装置、 主控制器、磁性吸附装置和球状固定端的工业机器人牵引示教的手持系统，该方法包括：初始位姿调整、气囊压力调整与校核、操作人员控制与调整、计算操作人员控制意图、发送指令给工业机器人。 

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的初始位姿调整包括： 

根据位姿传感器信号判断是否为初始状态，并提醒操作人员调整；操作人员可以调整电流控制回路输出电流的大小以改变磁场吸附力，并将该电流数值记录与主控制器的存储器中，作为预设压力。 

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的气囊压力调整与校核包括： 

主控制板检测薄膜式压力气囊的压力并与预设压力比较，进而启动微型气泵或/和单电控二位三通气阀，调整气囊压力至预设压力。 

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的操作人员控制与调整包括： 

操作人员通过操作外壳挤压一组或多组薄膜式压力气囊产生压力差，并被主控制器依次读取；操作人员调整电流输出回路的电流大小以改变磁场吸附力；操作人员调整磁性吸附装置和球状固定断之间的相互位置，以调整位姿。 

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的计算操作人员控制意图包括： 

根据系统当前位姿或/和一组薄膜式压力气囊的压力差判断操作人员的期望移动方向；进一步，根据压力差的大小设定工业机器人的运转速度，实现零力控制。 

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