CN103600351A - 一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 - Google Patents
一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103600351A CN103600351A CN201310557059.6A CN201310557059A CN103600351A CN 103600351 A CN103600351 A CN 103600351A CN 201310557059 A CN201310557059 A CN 201310557059A CN 103600351 A CN103600351 A CN 103600351A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- robot
- moment
- axis
- force
- operator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
本发明提供了一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法，系统由六自由度机器人、机器人控制柜、PC上位机、六轴力-力矩传感器、传感器控制盒、操作杆组成；控制方法以操作者牵拉动作为信号，由PC上位机程序处理后实时识别操作者的操作意图，并转换为机器人控制信号以带动机器人完成多方向的混合平移、旋转运动；根据力和力矩大小决定运动速度；并能够根据操作者需求，记录机器人运动轨迹以便再现复杂运动。本发明实现了一种操作者和机器人协同操作方式，结构简单、操作方便、且具有较强的鲁棒性，具有较好的使用和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及医疗、制造、机械等领域。更具体地说是涉及一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法
背景技术
六自由度机器人是一种能够完成模拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置。它可把任何物件或工具按空间位姿（位置和姿态）的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求，医学上能够用于外科手术。控制机器人完成动作的传统方式有两种：主动式和被动式。主动式是指以电机转动作为动力，控制电机的转动速度和转动角度实现机器人运动。这种运动方式精度高，可重复性好，但是操作复杂，对操作者要求高。被动式是指操作者人力调整机器人使之发生对应的运动。这种运动方式操作简单，但是空间精度低，可重复性差，并且对操作者体力要求较大。本发明结合上述两种方法的优点，提出了一种通过在六自由度机器人末端安装六轴力-力矩传感器，以较小的人力牵拉做信号，以电机转动作为动力的机器人从动的运动控制方式。
发明内容
本发明提供了一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统，其特征在于：硬件设备包括六自由度机器人（1）、机器人控制柜（2）、PC上位机（3）、六轴力-力矩传感器（4）、传感器控制盒（5）、操作杆（6）；六自由度机器人（1）基座固定在水平桌面上，自由端与六轴力-力矩传感器（4）一端连接，六轴力-力矩传感器（4）另一端与操作杆（6）连接，PC上位机（3）与机器人控制柜（2）之间使用网线或RS232串口线连接以传输运动命令，机器人控制柜（2） 通过操作电缆与六自由度机器人（1）实现命令传输；操作者通过拖拽、拧动操作杆（6）产生力和力矩信号，由六轴力-力矩传感器（4）实时检测，并通过传感器控制盒（5）传输至PC上位机（3），基于C++环境，由PC上位机程序处理后实时识别操作者的操作意图，并转换为机器人控制信号以带动机器人完成三维空间中的混合平移、旋转运动，根据力的大小决定平移速度，根据力矩大小决定旋转速度，并能够根据操作者需求，记录机器人运动轨迹以便再现复杂运动。
本发明中基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统所采用的控制方法特征在于：设置循环命令，在每个循环中，检测力与力矩数据。定义坐标系如下：以操作杆（6）连接部分轴向为Z轴，抓握部分轴向为X轴，Y轴垂直于XZ平面（见附图2）。Z轴力数据直接用于控制六轴机器人（1）末端沿Z轴平移，Z轴力矩数据直接用于控制沿Z轴旋转，X轴力矩与Y轴力、Y轴力矩与X轴力分别相除得到作用点位置，根据作用点位置能够判定操作者意图，实现沿X、Y轴的平移和旋转，当作用点在操作杆（6）型心附近时，判定操作者意图为平动；当作用点在操作杆（6）上并远离型心，判定操作者意图为平动复合转动；当计算所得作用点在操作杆（6）以外，则判定机器人沿转矩方向做纯转动，设定转动中心为操作杆型心。速度控制方式特征在于：依据合力、合力矩大小，设定相应的插值速度和每个循环移动的步长，步长大小决定最高运动速度与运动精度。当合力、合力矩低于启动阈值，机器人保持不动；当合力、合力矩大于启动阈值小于最大阈值，转动速度与合力矩成正比、平移速度与合力成正比；当合力、合力矩大于最大阈值，转动速度和平动速度保持定值。运动再现方式，特征在于：设置循环命令，在每个循环中，检测六自由度机器人（1）各个关节脉冲位置，并保存，再现功能开启时，程序不断读取关节脉冲命令，指导六自由度机器人（1）运动到相应位置，并完成运动插值。
本发明设计的基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法优点包括：
1、能识别操作者主观意图，并依此控制机器人随动，实现机器 人与操作者的协同配合，并简化对操作者的要求，方便完成复杂的机器人运动。
2、能够实时储存机器人运动轨迹，并可通过程序实现运动再现。
3、本发明结构简单、操作方便、且具有较强的鲁棒性，具有较好的使用和推广价值。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图。
在图1中，六自由度机器人（1）、机器人控制柜（2）、PC上位机（3）、六轴力\力矩传感器（4）、传感器控制盒（5）、操作杆（6）。
图2是本发明的机器人操作杆坐标定义示意图。
图3是本发明的方法总体流程图。
图4是本发明中运动方式判定的流程图
图5是本发明中运动速度计算的流程图
具体实施方式
如附图1所示，本发明提出的一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人控制方法，硬件部分包括：六自由度机器人1、机器人控制柜2、PC上位机3、六轴力-力矩传感器4、传感器控制盒5、操作杆6。六自由度机器人1固定在水平桌面上，末端自由端装有六轴力-力矩传感器4，六轴力-力矩传感器4另一侧与操作杆6固连。操作者通过拖拽、拧动操作杆6产生力-力矩信号，由六轴力-力矩传感器4实时检测。信号通过传感器控制盒5传输至PC上位机3，基于C++环境，编程实现对下位机器人的控制。PC上位机3与机器人控制柜2之间使用网线或RS232串口线连接以传输运动命令。机器人控制柜2通过操作电缆与六自由度机器人1相连，实现对机器人的控制。
完成硬件连接后，运行程序。当操作杆6不受外力时，机器人不运动。当操作者手握操作杆，提供力和力矩，六轴力-力矩传感器4实时测量，并识别操作者意图，完成多方向的混合平移、旋转运动。一定范围内，操作者施加的力越大，平移速度越快；力矩越大，转动 速度越快。
1）操作模式下，具体程序流程如附图3：程序开始后，就进入循环，每一次循环中检查力-力矩输入是否超过启动阈值，如果没有超过，则认为操作者松手，保持机器人位置姿态不变，进入下一个循环直到操作者提供力-力矩信号。当存在力-力矩信号时，依据输入各值大小分别判定运动类型和方向、计算平移和旋转速度、发送运动命令并记录运动结束时机器人的关节脉冲位置。完成后如果操作者没有终止程序，则进入下一个循环。
每个循环中，Z轴力数据直接用于控制六轴机器人1末端沿Z轴平移，Z轴力矩数据直接用于控制沿Z轴旋转。X轴力矩与Y轴力、Y轴力矩与X轴力分别相除得到作用力臂。根据力臂长度，能够判定操作者意图，实现沿X、Y轴的平移和旋转。判定流程如附图4。操作杆长度L为标准，力臂长度大于L为绕操作杆中心做纯转动、小于L/2为沿受力方向平移、大于L/2小于L则为转动混合平移运动。
循环中，运动速度的判定流程如附图5a、5b。当力/力矩大于最大阈值，机器人保持设定的最大速度运动；当力/力矩介于启动阈值与最大阈值之间，则保证运动速度与力/力矩成正比。
2）操作者完成动作之后，机器人的运动轨迹被保存在文本文件中。再现模式下，能够通过读取文本文件，重复机器人运动轨迹。
Claims (2)
1.一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统，其特征在于：硬件设备包括六自由度机器人（1）、机器人控制柜（2）、PC上位机（3）、六轴力-力矩传感器（4）、传感器控制盒（5）、操作杆（6）；六自由度机器人（1）基座固定在水平桌面上，自由端与六轴力-力矩传感器（4）一端连接，六轴力-力矩传感器（4）另一端与操作杆（6）连接，PC上位机（3）与机器人控制柜（2）之间使用网线或RS232串口线连接以传输运动命令，机器人控制柜（2）通过操作电缆与六自由度机器人（1）实现命令传输；操作者通过拖拽、拧动操作杆（6）产生力和力矩信号，由六轴力-力矩传感器（4）实时检测，并通过传感器控制盒（5）传输至PC上位机（3），基于C++环境，由PC上位机程序处理后实时识别操作者的操作意图，并转换为机器人控制信号以带动机器人完成三维空间中的混合平移、旋转运动，根据力的大小决定平移速度，根据力矩大小决定旋转速度，并能够根据操作者需求，记录机器人运动轨迹以便再现复杂运动。
2.一种对如权利要求1所述的基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统，其采用的控制方法特征在于：设置循环命令，在每个循环中，检测力与力矩数据。定义坐标系如下：以操作杆（6）连接部分轴向为Z轴，抓握部分轴向为X轴，Y轴垂直于XZ平面（见附图2）。Z轴力数据直接用于控制六轴机器人（1）末端沿Z轴平移，Z轴力矩数据直接用于控制沿Z轴旋转，X轴力矩与Y轴力、Y轴力矩与X轴力分别相除得到作用点位置，根据作用点位置能够判定操作者意图，实现沿X、Y轴的平移和旋转，当作用点在操作杆（6）型心附近时，判定操作者意图为平动；当作用点在操作杆（6）上并远离型心，判定操作者意图为平动复合转动；当计算所得作用点在操作杆（6）以外，则判定机器人沿转矩方向做纯转动，设定转动中心为操作杆型心。速度控制方式特征在于：依据合力、合力矩大小，设定相应的插值速度和每个循环移动的步长，步长大小决定最高运动速度与运动精度。当合力、合力矩低于启动阈值，机器人保持不动；当合力、合力矩大于启动阈值小于最大阈值，转动速度与合力矩成正比、平移速度与合力成正比；当合力、合力矩大于最大阈值，转动速度和平动速度保持定值。运动再现方式，特征在于：设置循环命令，在每个循环中，检测六自由度机器人（1）各个关节脉冲位置，并保存，再现功能开启时，程序不断读取关节脉冲命令，指导六自由度机器人（1）运动到相应位置，并完成运动插值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310557059.6A CN103600351A (zh) | 2013-11-11 | 2013-11-11 | 一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310557059.6A CN103600351A (zh) | 2013-11-11 | 2013-11-11 | 一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103600351A true CN103600351A (zh) | 2014-02-26 |
Family
ID=50118647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310557059.6A Pending CN103600351A (zh) | 2013-11-11 | 2013-11-11 | 一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103600351A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103955207A (zh) * | 2014-04-24 | 2014-07-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法 |
| CN104116517A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-10-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于双机械臂协同的术中x光影像系统 |
| CN106660207A (zh) * | 2014-07-16 | 2017-05-10 | X开发有限责任公司 | 用于轨迹规划的物体度量的实时确定 |
| CN106994687A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-01 | 北京卫星环境工程研究所 | 工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法 |
| US20230069607A1 (en) * | 2021-08-26 | 2023-03-02 | Caterpillar Paving Products Inc. | System and method for managing operator settings for a work machine |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0304306A2 (en) * | 1987-08-19 | 1989-02-22 | Hewlett-Packard Company | Controller device |
| US6212443B1 (en) * | 1995-09-14 | 2001-04-03 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Teaching unit for robots |
| JP2002254361A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-09-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 移動マニピュレータの遠隔操作装置 |
| CN101583468A (zh) * | 2006-10-19 | 2009-11-18 | Abb股份有限公司 | 用于自动处理和/或机械加工工件的系统和方法 |
| CN102581852A (zh) * | 2012-01-20 | 2012-07-18 | 上海交通大学 | 用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统 |
| FR2976689A1 (fr) * | 2011-06-15 | 2012-12-21 | Assist Publ Hopitaux De Paris | Joystick de pointage a haut degre de precision |
-
2013
- 2013-11-11 CN CN201310557059.6A patent/CN103600351A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0304306A2 (en) * | 1987-08-19 | 1989-02-22 | Hewlett-Packard Company | Controller device |
| US6212443B1 (en) * | 1995-09-14 | 2001-04-03 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Teaching unit for robots |
| JP2002254361A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-09-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 移動マニピュレータの遠隔操作装置 |
| CN101583468A (zh) * | 2006-10-19 | 2009-11-18 | Abb股份有限公司 | 用于自动处理和/或机械加工工件的系统和方法 |
| FR2976689A1 (fr) * | 2011-06-15 | 2012-12-21 | Assist Publ Hopitaux De Paris | Joystick de pointage a haut degre de precision |
| CN102581852A (zh) * | 2012-01-20 | 2012-07-18 | 上海交通大学 | 用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 叶腾茂: "五自由度上肢康复机器人力辅助控制的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》, no. 3, 15 March 2009 (2009-03-15) * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103955207A (zh) * | 2014-04-24 | 2014-07-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法 |
| CN103955207B (zh) * | 2014-04-24 | 2016-06-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法 |
| CN106660207A (zh) * | 2014-07-16 | 2017-05-10 | X开发有限责任公司 | 用于轨迹规划的物体度量的实时确定 |
| CN104116517A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-10-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于双机械臂协同的术中x光影像系统 |
| CN106994687A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-01 | 北京卫星环境工程研究所 | 工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法 |
| US20230069607A1 (en) * | 2021-08-26 | 2023-03-02 | Caterpillar Paving Products Inc. | System and method for managing operator settings for a work machine |
| US11620603B2 (en) * | 2021-08-26 | 2023-04-04 | Caterpillar Paving Products Inc. | System and method for managing operator settings for a work machine |
| US20230237414A1 (en) * | 2021-08-26 | 2023-07-27 | Caterpillar Paving Products Inc | System and method for managing operator settings for a work machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103600351A (zh) | 一种基于六轴力-力矩传感器的六自由度机器人操作系统及其控制方法 | |
| US9122275B2 (en) | Robot and control method thereof | |
| CN103237633B (zh) | 主操作输入装置以及主-从机械手 | |
| WO2020221311A1 (zh) | 基于可穿戴设备的移动机器人控制系统及控制方法 | |
| CN107943283B (zh) | 基于手势识别的机械臂位姿控制系统 | |
| CN101943946B (zh) | 基于三维力传感器的二维图像力触觉再现控制方法及系统 | |
| CN106896796B (zh) | 基于数据手套的工业机器人主从式示教编程方法 | |
| CN106041927A (zh) | 结合eye‑to‑hand和eye‑in‑hand结构的混合视觉伺服系统及方法 | |
| CN108247611A (zh) | 一种三自由度并联机构控制方法 | |
| CN102581852B (zh) | 用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统 | |
| WO2019024577A1 (zh) | 基于多感知数据融合的人机自然交互系统 | |
| CN104942791B (zh) | 一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手 | |
| Yang et al. | Teleoperated robot writing using EMG signals | |
| CN203650506U (zh) | 一种用于水下的多自由度遥控机械手 | |
| CN106891326A (zh) | 一种机器人示教方法 | |
| Gupta et al. | WiFi-based control of a robotic arm with remote vision | |
| CN207223965U (zh) | 一种机械手 | |
| CN106217374B (zh) | 一种智能机械臂的控制方法、装置及系统 | |
| Han et al. | Grasping control method of manipulator based on binocular vision combining target detection and trajectory planning | |
| Zou et al. | Design of smart car control system for gesture recognition based on Arduino | |
| CN105643665A (zh) | 数据手套拇指远端关节检测装置 | |
| CN204525481U (zh) | 一种无动力关节臂式示教器 | |
| CN208826630U (zh) | 一种带远程主操作手的关节式机械臂 | |
| CN112936245B (zh) | 一种类人机器人头部和眼睛注视控制装置及方法 | |
| CN104760044A (zh) | 一种无动力关节臂式示教器及其在工业机器人中的应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140226 |