CN104385279B - 一种机械手示教方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手示教系统，所述机械手包括一机械臂和用于驱动机械臂运动的驱动系统，包括：采集单元，用于采集被机械臂夹取的玻璃基板当前所在的第一位置的第一位置信息；偏差位置信息获取单元，用于根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；PID调节单元，用于根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂，带动所述玻璃基板运动到第二位置；所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。本发明还提供一种机械手示教方法。本发明的有益效果是：采用PID控制快速、准确的完成机械手示教。

Description

一种机械手示教方法及系统

技术领域

本发明涉及液晶显示器制作技术领域，尤其涉及一种机械手示教方法及系统。

背景技术

在运动控制器控制机械手自动执行动作之前，需要先对机械手进行如何运动的教导，该教导机械手运动的操作称为示教操作。液晶面板制作过程中，机械手位置偏差后会对玻璃的正常搬送造成不同程度的影响，诸如玻璃破碎、机械手臂弯曲甚至断裂、生产停滞等。为减少或消除这种偶然因素对生产的极大影响，对机械手进行示教工作是极其重要的。

在机械手示教过程中，常常需要反复手动调节直线电机X轴、手臂伸长R轴、theta(θ)轴数据，而且，诸数据仅仅靠目视调节，该方法是机械手调节过程中非常普遍和常用的，但其致命的缺陷是，目视误差大，以此评判位置数据最终很难达到精确示教各轴数据的目的，给设备运行带来极大的隐患；

另外，全手动调节过程中，需要多次重复同一操作过程来实现机械手的调节要求浪费大量时间和精力，且易出现超调。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种机械手示教方法及系统，实现机械手自动、实时调节以将玻璃基板快捷、准确的放入目标位置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机械手示教系统，所述机械手包括一机械臂和用于驱动机械臂运动的驱动系统，包括：

采集单元，用于采集被机械臂夹取的玻璃基板当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元，用于根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID调节单元，用于根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂，带动所述玻璃基板运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

进一步的，还包括存储单元，用于存储机械臂的起始位置信息、玻璃基板被机械手运送至目标位置时机械臂的终点位置信息。

进一步的，所述采集单元包括设置于玻璃基板四周的测距传感器。

进一步的，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂进行旋转运动。

进一步的，所述PID调节单元包括：

PID运算电路结构，用于根据玻璃基板的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构，用于根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述控制信息。

本发明还提供一种机械手示教方法，包括：

采集被机械臂夹取的玻璃基板当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂，带动所述玻璃基板运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

进一步的，还包括存储机械臂的起始位置信息、玻璃基板被机械手运送至目标位置时机械臂的终点位置信息。

进一步的，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂进行旋转运动。

进一步的，PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息具体包括：

PID运算电路结构根据玻璃基板的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述PID调节单元的控制信息。

进一步的，所述比例环节如下：

u₁(t)＝k_p*e(t)；

所述积分环节如下：

$u_2\left(t\right)=k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt};$

所述微分环节如下：

$u_3\left(t\right)=k_d*\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{d\left(t\right)}$

所述PID运算电路结构的运算结果u(t)采用如下公式获得：

u(t)＝u₁(t)+u₂(t)+u₃(t)，即

$u\left(t\right)=k_p*e\left(t\right)+k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+k_d*\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{d\left(t\right)}.$

其中，e(t)为所述第一位置偏差，u(t)为所述PID运算电路结构的运算结果，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。

本发明的有益效果是：采用PID控制快速、准确的完成机械手示教。

附图说明

图1表示本发明机械手运送玻璃基板至卡匣内状态示意图；

图2表示本发明PID运算原理图；

图3表示本发明结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构和原理进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。

在液晶面板的制作过程中，需要在不同设备单元进行玻璃基板2的运送，一般情况下，机械手从上流位置夹取玻璃基板2，然后将玻璃基板2运送至下流位置，以下流位置为cassette(卡匣)为例，是否能顺利放入对精度要求高的卡匣1中，需要考验机械手的运动精度及机械手位置参数的精确度。本实施例提供一种机械手示教系统，机械手将从上流位置夹取的玻璃基板2运送至卡匣1内的示教操作一般采用手动，但不以此为限，本实施例机械手示教系统主要用于实现调整玻璃基板2的位置以使玻璃基板2位于卡匣1中心的要求的示教操作。

如图3所示，本实施例提供一种机械手示教系统，所述机械手包括一机械臂3和用于驱动机械臂3运动的驱动系统，包括：

采集单元，用于采集被机械臂3夹取的玻璃基板2当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元，用于根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))调节单元，用于根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂3，带动所述玻璃基板2运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

本实施例中，所述采集单元包括设置于玻璃基板2四周的测距传感器11，如图1所示，测距传感器11位于卡匣1内部的侧壁上。

玻璃基板2具有相对设置的第一侧边和第二侧边；

卡匣1具有分别与所述第一侧边和第二侧边位置相对应的第一内侧壁和第二内侧壁，且第一内侧壁和第二内侧壁相对设置。

将玻璃基板2的位置调整至卡匣1的中心，需要调整玻璃基板2上第一侧边与第一内侧壁之间的第一距离和第二侧边与第二内侧壁之间的第二距离相等。

同样的，玻璃基板2为矩形，玻璃基板2具有相对设置的第三侧边和第四侧边；

卡匣1具有分别与所述第三侧边和第四侧边位置相对应的第三内侧壁和第四内侧壁，且第三内侧壁和第四内侧壁相对设置。

将玻璃基板2的位置调整至卡匣1的中心，需要调整玻璃基板2上第三侧边与第三内侧壁之间的第三距离和第四侧边与第四内侧壁之间的第四距离相等。

调整玻璃基板2上第一侧边与第一内侧壁之间的第一距离和第二侧边与第二内侧壁之间的第二距离相等，与调整玻璃基板2上第三侧边与第三内侧壁之间的第三距离和第四侧边与第四内侧壁之间的第四距离相等的原理相同，本实施例中均是采用PID控制机械臂3运动，以使得机械手将玻璃基板2运送至卡匣1的中心，以下以调整玻璃基板2上第一侧边与第一内侧壁之间的第一距离和第二侧边与第二内侧壁之间的第二距离相等(即图1中所示，玻璃基板2的左侧边为所述第一侧边，所述玻璃基板2的右侧边为所述第二侧边，相应的，卡匣1左侧内壁为所述第一内侧壁，卡匣1右侧内壁为所述第二内侧壁)为例对本发明机械手示教进行具体说明。

玻璃基板2位于第一位置的第一位置信息包括第一侧边与第一内侧壁之间的第一距离L1，以及第二侧边与第二内侧壁之间的第二距离L2，所述第一位置偏差为(L1+L2)/2，PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，从而产生一控制信息，机械手驱动系统根据所述控制信息控制机械手运动，从而机械手将玻璃基板2带动到第二位置，玻璃基板2位于所述第二位置时，所述第一侧边与所述第一内侧壁之间的第一距离变为L1’，所述第二侧边与所述第二内侧壁之间的第二距离变为L2’，此时第二位置偏差为(L1’+L2’)/2，所述第二位置偏差小于第一位置偏差，所述PID调节单元根据采集单元的实时反馈，继续根据所述第二位置偏差进行PID运算，直至玻璃基板2的实际位置与目标位置之间的位置偏差位于预设误差范围内，则停止PID调节，此时记录机械臂3的位置信息，完成示教。

本实施例中，还包括存储单元，用于存储机械臂3的起始位置信息、玻璃基板2被机械手运送至目标位置时机械臂3的终点位置信息。

本实施例中，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3进行旋转运动。

所述机械臂3包括第一手臂、第二手臂和第三手臂。

所述第一驱动结构包括第一驱动电机、第一传动轴，所述第一手臂的一端连接于所述第一传动轴，所述第一传动轴在所述第一驱动电机的驱动下带动所述第一手臂沿第一方向运动，所述第一方向为图1中所述的X方向。

所述第二驱动结构包括第二驱动电机、第二传动轴，所述第一手臂的另一端连接于所述第二传动轴，所述第二手臂的一端连接于所述第二传动轴，所述第二传动轴可在所述第二驱动电机的驱动下带动所述第二手臂沿与所述第一方向垂直的方向移动，即图1中所述的R方向。

所述第三驱动结构包括第三驱动电机、第三传动轴，所述第二手臂的另一端连接于所述第三传动轴，所述第三手臂的一端连接所述第三传动轴，所述第三手臂的另一端设有用于夹取玻璃基板2的夹持结构，所述第三传动轴可在所述第三驱动电机的驱动下带动所述第三手臂沿第三方向进行旋转运动，所述第三方向即图1中所示的θ方向。

所述第一手臂、第二手臂、第三手臂可在所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机的配合下，使得机械臂3在上流位置与下流位置之间运动以完成玻璃基板2的运送。

本实施例中，所述PID调节单元包括：

PID运算电路结构，用于根据玻璃基板2的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构，用于根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述控制信息。

本实施例中，所述PID调节单元可以仅包括一个PID运算电路结构和一个控制电路结构，通过一个PID运算电路结构和一个控制电路结构的配合同时控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、第三驱动结构的运转。

所述PID调节单元也可以包括分别与所述第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构对应的第一PID运算电路结构、第一控制电路结构；第二PID运算电路结构、第二控制电路结构；第三运算电路结构、第三控制电路结构，即所述第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构是分别通过相应的PID运算电路结构和相应的控制电路结构控制的，但是第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构是相互配合的以使得机械手将玻璃基板2运送至目标位置。

本发明还提供一种机械手示教方法，包括：

采集被机械臂3夹取的玻璃基板2当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂3，带动所述玻璃基板2运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

玻璃基板2位于第一位置的第一位置信息包括第一侧边与第一内侧壁之间的第一距离L1，以及第二侧边与第二内侧壁之间的第二距离L2，所述第一位置偏差为(L1+L2)/2，PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，从而产生一控制信息，机械手驱动系统根据所述控制信息控制机械手运动，从而机械手将玻璃基板2带动到第二位置，玻璃基板2位于所述第二位置时，所述第一侧边与所述第一内侧壁之间的第一距离变为L1’，所述第二侧边与所述第二内侧壁之间的第二距离变为L2’，此时第二位置偏差为(L1’+L2’)/2，所述第二位置偏差小于第一位置偏差，所述PID调节单元根据采集单元的实时反馈，继续根据所述第二位置偏差进行PID运算，直至玻璃基板2的实际位置与目标位置之间的位置偏差位于预设误差范围内(该误差范围可以是3mm左右，但此处不做限定，可以根据实际需要确定)，则停止PID调节，此时记录机械臂3的位置信息，完成示教。

本实施例中，还包括存储机械臂3的起始位置信息、玻璃基板2被机械手运送至目标位置时机械臂3的终点位置信息。

本实施例机械手的运动通过PID自适应控制，实时测距、实时调节并将机械臂3的位置信息等相关数据实时存储，实现快捷、精确、简便、安全的全自动调节方法。

本实施例中，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂3进行旋转运动。

所述机械臂3包括第一手臂、第二手臂和第三手臂。

所述第一驱动结构包括第一驱动电机、第一传动轴，所述第一手臂的一端连接于所述第一传动轴，所述第一传动轴在所述第一驱动电机的驱动下带动所述第一手臂沿第一方向运动，所述第一方向为图1中所述的X方向。

所述第二驱动结构包括第二驱动电机、第二传动轴，所述第一手臂的另一端连接于所述第二传动轴，所述第二手臂的一端连接于所述第二传动轴，所述第二传动轴可在所述第二驱动电机的驱动下带动所述第二手臂沿与所述第一方向垂直的方向移动，即图1中所述的R方向。

所述第三驱动结构包括第三驱动电机、第三传动轴，所述第二手臂的另一端连接于所述第三传动轴，所述第三手臂的一端连接所述第三传动轴，所述第三手臂的另一端设有用于夹取玻璃基板2的夹持结构，所述第三传动轴可在所述第三驱动电机的驱动下带动所述第三手臂沿第三方向进行旋转运动，所述第三方向即图1中所示的θ方向。

所述第一手臂、第二手臂、第三手臂可在所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机的配合下，使得机械臂3在上流位置与下流位置之间运动以完成玻璃基板2的运送。

PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息具体包括：

PID运算电路结构根据玻璃基板2的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述PID调节单元的控制信息。

本实施例中，所述PID调节单元可以仅包括一个PID运算电路结构和一个控制电路结构，通过一个PID运算电路结构和一个控制电路结构的配合同时控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、第三驱动结构的运转。

所述PID调节单元也可以包括分别与所述第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构对应的第一PID运算电路结构、第一控制电路结构；第二PID运算电路结构、第二控制电路结构；第三运算电路结构、第三控制电路结构，即所述第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构是分别通过相应的PID运算电路结构和相应的控制电路结构控制的，但是第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构是相互配合的以使得机械手将玻璃基板2运送至目标位置。

如图2所示，具体的PID运算如下：

设定玻璃基板的目标位置为ω，第一位置信息为被控量，为y(t)，第一位置偏差为e，那么，

e＝ω-y(t)

PID运算中，比例环节的输出为第一位置偏差e的正比函数，所述比例环节如下：

u₁(t)＝k_p*e(t)；

积分环节为对第一位置偏差e进行积分运算，所述积分环节如下：

$u_2\left(t\right)=k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt};$

微分环节为对第一位置偏差进行微分运算，所述微分环节如下：

$u_3\left(t\right)=k_d*\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{d\left(t\right)}$

所述PID运算电路结构的运算结果u(t)采用如下公式获得：

u(t)＝u₁(t)+u₂(t)+u₃(t)，即

$u\left(t\right)=k_p*e\left(t\right)+k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+k_d*\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{d\left(t\right)}.$

其中，e(t)为所述第一位置偏差，u(t)为所述PID运算电路结构的运算结果，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。

PID运算的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{b_m+b_{m-1}{s}^{m-1}+...+b_0}{a_n{s}^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+...+a_0}$

比例环节具有很快的作用效果，积分环节可以消除稳态误差，提高控制精度，微分环节可以改善动态特性防止超调，比例环节、积分环节和微分环节的配合可有效的实现机械臂3的自动控制，安全的完成机械手示教。

以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种机械手示教系统，所述机械手包括一机械臂和用于驱动机械臂运动的驱动系统，其特征在于，包括：

采集单元，用于采集被机械臂夹取的玻璃基板当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元，用于根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID调节单元，用于根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到所述驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂，带动所述玻璃基板运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

2.根据权利要求1所述的机械手示教系统，其特征在于，还包括存储单元，用于存储机械臂的起始位置信息、玻璃基板被机械手运送至目标位置时机械臂的终点位置信息。

3.根据权利要求1所述的机械手示教系统，其特征在于，所述采集单元包括设置于玻璃基板四周的测距传感器。

4.根据权利要求1所述的机械手示教系统，其特征在于，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂进行旋转运动。

5.根据权利要求4所述的机械手示教系统，其特征在于，所述PID调节单元包括：

PID运算电路结构，用于根据玻璃基板的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构，用于根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述控制信息。

6.一种机械手示教方法，其特征在于，包括：

采集被机械臂夹取的玻璃基板当前所在的第一位置的第一位置信息；

偏差位置信息获取单元根据所述第一位置信息与目标位置信息获得第一位置偏差；

PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息，输出到驱动系统，使得所述驱动系统在所述控制信息的控制下驱动所述机械臂，带动所述玻璃基板运动到第二位置；

所述第二位置与目标位置之间的第二位置偏差小于第一位置偏差。

7.根据权利要求6所述的机械手示教方法，其特征在于，还包括存储机械臂的起始位置信息、玻璃基板被机械手运送至目标位置时机械臂的终点位置信息。

8.根据权利要求6所述的机械手示教方法，其特征在于，所述驱动系统包括：

第一驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿第一方向运动；

第二驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂沿与所述第一方向垂直的方向运动；

第三驱动结构，用于根据所述PID调节单元的控制信息控制机械臂进行旋转运动。

9.根据权利要求8所述的机械手示教方法，其特征在于，PID调节单元根据所述第一位置偏差进行PID运算，产生一控制信息具体包括：

PID运算电路结构根据玻璃基板的所述第一位置信息、所述第一位置偏差设置比例环节、微分环节、积分环节进行PID控制；

控制电路结构根据所述PID运算电路结构的运算结果获得用于控制所述第一驱动结构、所述第二驱动结构、所述第三驱动结构运转的驱动电流，所述驱动电流为所述PID调节单元的控制信息。

10.根据权利要求9所述的机械手示教方法，其特征在于，所述比例环节如下：

u₁(t)＝k_p*e(t)；

所述积分环节如下：

$u_2\left(t\right)=k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt;$

所述微分环节如下：

$u_3\left(t\right)=k_d*\frac{de\left(t\right)}{d\left(t\right)}$

所述PID运算电路结构的运算结果u(t)采用如下公式获得：

u(t)＝u₁(t)+u₂(t)+u₃(t)，即

$u\left(t\right)=k_p*e\left(t\right)+k_i*{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d*\frac{de\left(t\right)}{d\left(t\right)}$

其中，e(t)为所述第一位置偏差，u(t)为所述PID运算电路结构的运算结果，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。