CN104057458A - 一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及方法 - Google Patents

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颜钢锋
林志赟
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Abstract

本发明公开了一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及方法,系统包括依次连接的手持控制终端、控制器和多轴机械臂,手持控制终端与控制器通过网络通讯,手持控制终端包括空间位姿测量模块、触摸屏、处理模块、语音输入模块。本发明的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及方法,能实现良好的人机交互特性,使得操作多轴机械臂的过程得以简化,进一步提高多轴机械臂控制系统的灵活性和人性化;操作者通过体感、触摸、语音等直观的方式控制多轴机械臂,只需使用极少的按键来完成控制和示教编程,用户经过简短的学习即可熟悉并开始使用,并且保存的工作任务可以通过网络在不同的多轴机械臂之间共享,降低了培训和编程的成本。

Description

技术领域
[0001] 本发明涉及多轴机械臂控制领域,具体涉及一种基于体感和触摸的多轴机械臂直 观控制系统及方法。 一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及方法
背景技术
[0002] 自从20世纪60年代第一台工业机器人问世以来,它对促进制造业的发展起到了 重要作用。经过近60年的发展,工业机器人技术已经成熟,并在众多领域得到了广泛应用。
[0003] 多轴机械臂作为工业机器人的重要组成部分,在工业、安全、医疗等领域有广泛的 应用,其在工业领域被应用得最为广泛,大大提高了生产效率,降低了工人劳动强度。
[0004] 如授权公告号为CN200970772Y的专利文献公开了一种多轴式机械手臂,该机械 手臂主要包括:一横向移动台,该横向移动台上安装有一可转动的旋转基座,该旋转基座 的一端上设置有一垂直升降基座,该垂直升降基座上装有升降器,该升降器可沿垂直升降 基座上、下移动,升降器有水平外伸的短臂,该短臂上装有至少一个可伸缩的手臂,该手 臂的一端装有终端制动器。该专利文献的多轴式机械手臂,能旋转并具有纵向、横向直线 移动的功能,可依工件尺寸相应调整幅宽及在传送过程中保持工件稳定。
[0005] 如申请公布号为CN103192647A的专利文献公开了一种多轴雕刻机,包括底座、总 控系统和回转工作台,底座上部设有第一回转节点,在所述第一回转节点内设有第一回转 电机和第一驱动系统,所述第一驱动系统坚直放置,所述第一回转电机与第一驱动系统通 过第一齿轮机构相啮合,在所述第一驱动系统的上部设有第一回转臂,在第一回转臂的末 端依次连接多个回转臂。该专利文献公开多轴雕刻机的机械结构紧凑,机械强度高,刚性 好,传动机构精度高,自由度多,维护成本低。
[0006] 如申请公布号CN103302675A的专利文献公开了一种壁板上件柔性机械手,主要 由移动基座、升降立柱、多轴机械手臂和壁板夹具组成;其中升降立柱的下方位于移动基座 的上表面,其上方通过法兰连接多轴机械手臂,其上的法兰盘上方通过连接立柱连接机械 手大臂,其一端连接平衡气缸的活塞杆,平衡气缸的另一端与连接立柱底部连接,机械手大 臂的另一端连接回转柱,回转柱下方连接机械手小臂,其下方通过回转连接器连接壁板夹 具;在壁板夹具上设有回转连接器,其上连接的操作板上连接翻转气缸和旋转气缸,在夹具 主体型材上设有若干个真空吸盘。该壁板上件柔性机械手通过重构真空吸盘点阵,可满足 多种大型蒙皮、壁板的上件装配,同时其通用性强,拆装简单灵活,从而大大提高生产效率。
[0007] 随着机械电子行业的发展,多轴机械臂逐渐走出大型工厂,进入到中小工厂中。但 传统的机械臂示教控制器通常比较笨重,需要很多按键,操作人员经过专业培训才能够操 作,学习培训周期长;且手持控制器通过有线连接,操作不够方便。
发明内容
[0008] 本发明针对上述问题,提出了一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及 方法。用于解决现有多轴机械臂控制灵活性差、人机交互特性差,控制复杂的问题。
[0009] -种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,包括依次连接的手持控制终 端、控制器和多轴机械臂,所述手持控制终端与控制器通过网络通讯,所述手持控制终端包 括:
[0010] 空间位姿测量模块,用于采集手持控制终端相对地面的位置信号;
[0011] 触摸屏,显示当前多轴机械臂的实时运行状态和设定信息,以及采集手指滑动的 信号;
[0012] 处理模块,用于对空间位姿测量模块和触摸屏采集的手指滑动的信号进行计算处 理,得到多轴机械臂的控制信号,并通过网络发送给控制器;
[0013] 语音输入模块,与处理模块相连,用于与用户进行交互。
[0014] 所述语音输入模块用于采集用户的语音信号,并对其进行识别,当识别后的语音 信号与处理模块中预设的指令吻合时,处理模块根据预设的指令工作。用户可以通过语言 命令来控制多轴机械臂。
[0015] 作为优选,所述语音输入模块将采集的用户的语音信号通过网络传输至因特网, 通过因特网对语音信号进行云识别。
[0016] 将采集到的语音信号传至因特网,通过云识别获得较高的识别准确率,然后经过 云识别的语音信号与处理模块中预设的指令吻合时,处理模块根据预设的指令工作。
[0017] 为了加强手持控制终端与用户的交互功能,作为优选,所述手持控制终端还包括 用于发出相应声音、与用户进行交互的语音输出模块。
[0018] 为了保证手持控制终端与控制器通讯的安全性,防止误操作,作为优选,所述手持 控制终端与控制器进行网络连接时需要使用密码或者密钥进行验证。
[0019] 所述空间位姿测量模块包括陀螺仪、加速度计和磁力计,所述位置信号包括手持 控制终端相对地面的水平方位角、垂直倾斜角以及自身的旋转角。
[0020] 在采集所述位置信号之前,需要对多轴机械臂的坐标系进行一次标定。标定的目 的是在手持控制终端中确定多轴机械臂的直角坐标系,标定过程如下:任选多轴机械臂直 角坐标系的两根坐标轴进行标定,在手持控制终端上选择当前待标定的坐标轴,手持控制 终端的触摸屏中将显示一个箭头;然后调整手持控制终端的位置直到手持控制终端显示的 箭头方向与机械臂待标定的坐标轴方向重合;确认重合后按下确定按钮,完成一个坐标轴 的标记,另一个坐标轴的标记操作同上。
[0021 ] 所述实时运行状态包括程序执行进度、多轴机械臂的末端坐标和运行速度信息。
[0022] 所述设定信息包含坐标系类型的设定、屏幕感应灵敏度设定以及控制模式的设 定,所述控制模式包括控制多轴机械臂末端运动的末端模式,以及控制多轴机械臂关节旋 转角度的关节模式,所述坐标系类型包括直角坐标系、工具坐标系以及用户自定义坐标系。 [0023] 所述控制信号为方向速度信号或关节旋转角度信号,
[0024] 当控制模式为末端模式时,采集的手指滑动的信号为触摸轨迹信号和速度信号, 控制信号为方向速度信号,即控制多轴机械臂末端运动的方向和速度;当控制模式为关节 模式时,采集的手指滑动的信号为摸屏上虚拟旋钮被旋转的角度信号,控制信号为关节旋 转角度信号,即控制多轴机械臂的关节的旋转角度。通过两种模式的切换,可以方便快捷的 控制多轴机械臂到达指定位置。
[0025] 作为优选,所述手持控制终端还包括用于控制多轴机械臂是否可以运动的安全按 钮。考虑到工业应用和操作便利,安全按钮必须为物理按钮。
[0026] 本发明还提供了一种利用基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统的控制方 法,包括以下步骤:
[0027] 1)手持控制终端对多轴机械臂的坐标系进行标定或者读取历史标定信息,手持控 制终端读取当前坐标系类型、控制模式以及触摸灵敏度;
[0028] 2)手持控制终端通过网络与控制器连接,控制器验证手持控制终端输入的密码是 否正确,确认正确后建立通讯,否则要求重新验证;
[0029] 3)手持控制终端读取标定信息,依据步骤1)中的坐标系类型建立坐标系,并通过 空间位姿测量模块采集手持控制终端相对地面的位置信号;
[0030] 手持控制终端的坐标系是相对大地而言的,是不变的;二多轴机械臂的安装位置 是多变的,所以对每一个安装方位不同的多轴机械臂,都需要进行标定,以确定多轴机械臂 的坐标系相对手持控制终端自身坐标系的偏差信息;手持控制终端每次只能采集自身在自 己坐标系的方向信息,需要这个偏差信息才能把自己的方向变换到多轴机械臂末端在多轴 机械臂坐标系中的方向。
[0031] 4)按下安全按钮,用户发出开始运动的语音信号,语音信号被手持控制终端识别 后,手持控制终端发出允许运动的提示语音;
[0032] 5)当所述控制模式为末端模式时,手持控制终端读取触摸屏上手指滑动的触摸轨 迹信号和速度信号,结合步骤3)中获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号 发送至控制器;
[0033] 当所述控制模式为关节模式时,手持控制终端读取触摸屏上虚拟旋钮被旋转的角 度,结合步骤3)获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号发送至控制器;
[0034] 6)控制器接收来自手持控制终端的控制信号,确认信息完整且正确后控制多轴机 械臂执行相应的动作;
[0035] 7)手持控制终端接收到停止运动的语音信号后,发送相应指令至控制器,控制器 控制多轴机械臂停止运动,此时手持控制终端的空间姿态将不影响多轴机械臂的运动;
[0036] 8)手持控制终端接收到进行记录的语音信号或检测到触摸屏中的记录按钮被按 下时,将记录当前多轴机械臂的末端坐标点;
[0037] 9)重复步骤3)〜步骤8),当手持控制终端收到任务完成的语音信号或者触摸屏 中的完成按钮被按下时,手持控制终端将所有记录组合成一个工作任务并存储。
[0038] 本发明的有益效果是:本发明的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统及方 法,通过利用手持控制终端内置的各模块实现良好的人机交互特性,以此改善传统的控制 器,使得操作多轴机械臂的过程得以简化,进一步提高多轴机械臂控制系统的灵活性和人 性化;操作者通过体感、触摸、语音等直观的方式控制多轴机械臂,只需使用极少的按键来 完成控制和示教编程,用户经过简短的学习即可熟悉并开始使用,并且保存的工作任务可 以通过网络在不同的多轴机械臂之间共享,降低了培训和编程的成本。
附图说明:
[0039] 图1是本发明基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统的结构示意图;
[0040] 图2是本发明手持控制终端的结构示意图。
[0041] 图中各附图标记为:
[0042] 1.手持控制终端,2.控制器,3.多轴机械臂,4.模式选择区,5.粗略调整及信息显 示区,6.精细调整区。
具体实施方式:
[0043] 下面结合各附图,对本发明做详细描述。
[0044] 如图1所示,一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,包括依次连接的 手持控制终端1、控制器2和多轴机械臂3,控制器通过有线或者无线的方式连接至局域网, 手持控制终端包括:
[0045] 空间位姿测量模块,包括陀螺仪、加速度计和磁力计,用于采集手持控制终端相对 地面的位置信号,位置信号包括手持控制终端相对地面的水平方位角、垂直倾斜角以及自 身的旋转角;
[0046] 触摸屏,显示当前多轴机械臂的实时运行状态和设定信息,以及采集手指滑动的 信号,实时运行状态包括程序执行进度、多轴机械臂的末端坐标和运行速度信息,设定信息 包含坐标系类型的设定、屏幕感应灵敏度设定以及控制模式的设定,坐标系类型包括直角 坐标系、工具坐标系以及用户自定义坐标系,控制模式包括控制多轴机械臂末端运动的末 端模式,以及控制多轴机械臂关节旋转角度的关节模式,当控制模式为末端模式时,采集的 手指滑动的信号为触摸轨迹信号和速度信号;当控制模式为关节模式时,采集的手指滑动 的信号为摸屏上虚拟旋钮被旋转的角度信号;
[0047] 无线网络通讯模块,用于分别连接因特网和局域网,控制器与手持控制终端处在 同一个局域网内,采用TCP/IP协议进行通信;
[0048] 处理模块,用于对空间位姿测量模块和触摸屏采集的手指滑动的信号进行计算处 理,得到多轴机械臂的控制信号,并通过局域网发送给控制器,当控制模式为末端模式时, 控制信号为方向速度信号,即控制多轴机械臂末端运动的方向和速度;当控制模式为关节 模式时,控制信号为关节旋转角度信号,即控制多轴机械臂的关节的旋转角度;
[0049] 语音输入模块,与处理模块相连,用于采集用户的语音信号,并将采集的用户的语 音信号通过无线网络通讯模块传输至因特网,通过因特网对语音信号进行云识别,当云识 别后的语音信号与处理模块中预设的指令吻合时,处理模块根据预设的指令工作;
[0050] 语音输出模块,用于发出相应声音、与用户进行交互;
[0051] 本实施例中,为了保证手持控制终端与控制器通讯的安全性,防止误操作,手持控 制终端与控制器进行网络连接时需要使用密码或者密钥进行验证。手持控制终端还包括用 于控制多轴机械臂是否可以运动的安全按钮。开始运动语音命令是在安全按钮的基础上增 加的另一道安全保障。考虑到工业应用和操作便利,安全按钮必须为物理按钮。
[0052] 如图2所示,触摸屏包括三个区域,分别是模式选择区4、粗略调整及信息显示区5 以及精细调整区6。其中,模式选择区4用来显示控制模式以及触摸屏灵敏度;粗略调整及 信息显示区5用来显示当前多轴机械臂的实时运行状态以及进行粗略控制操作;精细调整 区6用来进行粗略控制操作。
[0053] 本实施例手持控制终端可以方便地进行固件升级,能提高系统的灵活性和人性化 程度。
[0054] 本发明还提供了一种利用上述基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统的控 制方法,包括以下步骤:
[0055] 1)手持控制终端对多轴机械臂的坐标系进行标定或者读取历史标定信息,手持控 制终端读取当前坐标系类型、控制模式、触摸灵敏度,以及控制器IP地址信息。
[0056] 2)手持控制终端通过局域网与控制器连接,控制器验证手持控制终端输入的密码 是否正确,确认正确后建立通讯,否则要求重新验证,网络通讯采用TCP/IP协议。
[0057] 3)手持控制终端读取标定信息,依据步骤1)中的坐标系类型建立坐标系,并通过 空间位姿测量模块采集手持控制终端相对地面的位置信号。
[0058] 4)按下安全按钮,用户发出开始运动的语音信号,语音信号被手持控制终端识别 后,手持控制终端发出允许运动的提示语音。
[0059] 5)当控制模式为末端模式时,手持控制终端读取触摸屏上手指滑动的触摸轨迹信 号和速度信号,结合步骤3)中获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号发送 至控制器,此模式下控制信号为方向速度信号;
[0060] 当控制模式为关节模式时,手持控制终端读取触摸屏上虚拟旋钮被旋转的角度, 结合步骤3)获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号发送至控制器,此模式 下控制信号为关节旋转角度信号;
[0061] 两种模式下,用户均根据实际情况选择在粗略调整及信息显示区5或者精细调整 区6进行手指滑动操作。
[0062] 6)控制器接收来自手持控制器终端的控制信号,确认信息完整且正确后控制多轴 机械臂执行相应的动作。
[0063] 7)手持控制终端接收到停止运动的语音信号后,发送相应指令至控制器,控制器 控制多轴机械臂停止运动,此时手持控制终端的空间姿态将不影响多轴机械臂的运动。
[0064] 8)手持控制终端接收到进行记录的语音信号或检测到触摸屏中的记录按钮被按 下时,将记录当前多轴机械臂的末端坐标点,并要求用户选择与前一个末端坐标点之间的 运动类型,运动类型包括直线和圆弧两种。
[0065] 通过末端坐标点可以反向推出关节的旋转角度。
[0066] 9)重复步骤3)〜步骤8),当手持控制终端收到任务完成的语音信号或者触摸屏 中的完成按钮被按下时,手持控制终端将所有记录组合成一个工作任务并存储。
[0067] 带有触摸屏、空间位姿测量模块和无线网络连接部件的智能手机、平板电脑或者 具有上述模块的定制装置也可以完成本发明中手持控制终端的功能,所以本发明所提到 的手持控制终端也包括具备带有触摸屏、空间位姿测量模块和无线网络连接部件的智能手 机、平板电脑或具备上述部件的定制装置。
[〇〇68] 以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此即限制本发明的专利保护范围,凡 是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,直接或间接运用在其他相关的技术 领域,均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1. 一种基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,包括依次连接的手持控制终端、 控制器和多轴机械臂,其特征在于,所述手持控制终端与控制器通过网络通讯,所述手持控 制终端包括: 空间位姿测量模块,用于采集手持控制终端相对地面的位置信号; 触摸屏,显示当前多轴机械臂的实时运行状态和设定信息,以及采集手指滑动的信 号; 处理模块,用于对空间位姿测量模块和触摸屏采集的手指滑动的信号进行计算处理, 得到多轴机械臂的控制信号,并通过网络发送给控制器; 语音输入模块,与处理模块相连,用于与用户进行交互。
2. 如权利要求1所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述语音输入模块用于采集用户的语音信号,并对其进行识别,当识别后的语音信号与处理 模块中预设的指令吻合时,处理模块根据预设的指令工作。
3. 如权利要求2所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述语音输入模块将采集的用户的语音信号通过网络传输至因特网,通过因特网对语音信号 进行云识别。
4. 如权利要求2或3所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于, 所述手持控制终端还包括用于发出相应声音、与用户进行交互的语音输出模块。
5. 如权利要求1所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述手持控制终端与控制器进行网络连接时需要使用密码或者密钥进行验证。
6. 如权利要求1所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述位置信号包括手持控制终端相对地面的水平方位角、垂直倾斜角以及自身的旋转角。
7. 如权利要求1所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述设定信息包含坐标系类型的设定、屏幕感应灵敏度的设定以及控制模式的设定,所述控 制模式包括控制多轴机械臂末端运动的末端模式,以及控制多轴机械臂关节旋转角度的关 节模式,所述坐标系包括直角坐标系、工具坐标系以及用户自定义坐标系。
8. 如权利要求7所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述控制信号为方向速度信号或关节旋转角度信号。
9. 如权利要求1所述的基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统,其特征在于,所 述手持控制终端还包括用于控制多轴机械臂是否可以运动的安全按钮。
10. -种利用基于体感和触摸的多轴机械臂直观控制系统的控制方法,其特征在于,包 括以下步骤: 1) 手持控制终端对多轴机械臂的坐标系进行标定或者读取历史标定信息,手持控制终 端读取当前坐标系类型、控制模式以及触摸灵敏度; 2) 手持控制终端通过网络与控制器连接,控制器验证手持控制终端输入的密码是否正 确,确认正确后建立通讯,否则要求重新验证; 3) 手持控制终端读取标定信息,依据步骤1)中的坐标系类型建立坐标系,并通过空间 位姿测量模块采集手持控制终端相对地面的位置信号; 4) 按下安全按钮,用户发出开始运动的语音信号,语音信号被手持控制终端识别后,手 持控制终端发出允许运动的提示语音; 5) 当所述控制模式为末端模式时,手持控制终端读取触摸屏上手指滑动的触摸轨迹信 号和速度信号,结合步骤3)中获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号发送 至控制器; 当所述控制模式为关节模式时,手持控制终端读取触摸屏上虚拟旋钮被旋转的角度信 号,结合步骤3)获取的位置信号得到控制信号,并通过网络将控制信号发送至控制器; 6) 控制器接收来自手持控制终端的控制信号,确认信息完整且正确后控制多轴机械臂 执行相应的动作; 7) 手持控制终端接收到停止运动的语音信号后,发送相应指令至控制器,控制器控制 多轴机械臂停止运动; 8) 手持控制终端接收到进行记录的语音信号或检测到触摸屏中的记录按钮被按下时, 将记录当前多轴机械臂的末端坐标点; 9) 重复步骤3)〜步骤8),当手持控制终端收到任务完成的语音信号或者触摸屏中的 完成按钮被按下时,手持控制终端将所有记录组合成一个工作任务并存储。
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