CN107671838A - 机器人示教记录系统、示教的工艺步骤及其算法流程 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效、适用性强、便捷、成本低、零部件少的机器人示教记录系统，并给出基于该系统的示教方法，属于机器人示教领域。本发明系统包括由光学信标、IMU传感器、相机、数据融合计算单元、机器人控制柜组成，机器人控制柜为机器人的控制驱动单元，并接收由IMU传感器及视觉融合计算单元输出的数据或文件，相机用于采集信标位置，并通过数据融合计算单元融合IMU数据，数据融合计算单元最后融合输出光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。本发明提供的示教系统和方法能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可。

Description

机器人示教记录系统、示教的工艺步骤及其算法流程

技术领域

本发明涉及机器人示教系统的技术领域，尤其涉及一种融合IMU与光学测距传感器的机器人示教记录系统及工艺步骤，以及机器人示教方法的算法流程。

背景技术

当前的机器人动作，主要通过以下四种方式获得：

1、在线编程，即传统的工程师通过示教盒操作机器人记忆点位及工艺动作信息，这一过程通常耗时费力，而且对操作者的知识水平要求较高。

2、离线编程，即机器人动作可以利用上位机自动化计算并转换为机器人编程语言，专利文件CN 104552300 B公开了一种基于示教机器人的离线编程示教装置及方法，可以降低了成本和示教操作难度，但是在很多应用中机器人动作不可预先计算获得，适用性不高。

3、交互式编程，即利用辅助工具将工具的输出采用固定的转换将动作转换为机器人执行机构的动作，通常这种方法需要操作手远程操作机器人，人力成本并未减少，且操作手要预防疲劳。

4、拖动示教，和在线编程类似，但是工程师不采用示教盒而是直接拖动机器人执行机构记录动作，这一方法比离线编程耗时少，且此方式不需要操作者对机器人的运动学以及控制原理了解。如专利申请文件201710152216.3（申请号）公开了一种工业机器人快速示教装置及其实现方式，在基于六维力/力矩快速示教模式下，直接拖动示教模组进行示教点选取，此方法简单安全，但是通常要求机器人有额外传感器或者执行机构，增加了成本。

因此，是否可以设计开发出一种同时具有高效、适用性强、便捷、成本低、零部件少的机器人示教记录系统和对应的示教方法，很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的机器人示教记录系统，实现同时具有高效、适用性强、便捷、成本低、零部件少的有益效果。

为达此目的，本发明采用一种融合IMU与光学测距传感器的机器人示教记录系统，所述的机器人示教记录系统是由光学信标、IMU传感器、相机、数据融合计算单元、机器人控制柜组成，其中：

所述的机器人控制柜为机器人的控制驱动单元，并接收由IMU传感器及视觉融合计算单元输出的数据或文件；

所述的光学信标及IMU传感器与示教执行机构固定安装在一起，并由示教工人操作；

所述的相机用于采集信标位置，并通过数据融合计算单元融合IMU数据；

所述的数据融合计算单元最后融合输出为光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。

其中，所述的光学信标的安装位置的个数要求大于三个，且不是全部位于同一直线上。

其中，所述的光学信标的安装位置的空间编码既可以是均匀分布，例如四边形、五边形、六边形、八边形等，也可以是随机生成的不均匀分布。

其中，所述的示教执行机构由示教工人掌握，且可以与机器人执行机构不一致。

其中，所述的工艺动作可以光学信标和IMU传感器，方便同时传送给数据融合计算单元。

为实现上述目的，本发明还提供一种机器人示教方法的工艺步骤，包括上述的基于机器人示教记录系统，执行以下步骤：

步骤S11：安装光学信标在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S12：安装摄像头并与光学信标连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S13：连接相机单元与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S14：工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息；

步骤S15：光学信标的运动通过相机单元的图像采集处理之后，计算出信标的空间运动轨迹并传输到数据融合计算单元，进行数据的计算、融合和输出；

步骤S16：机器人系统复现示教动作；

在步骤S16中，所述的复现示教动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

其中，所述的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师手动或者数据处理工具自动修改后执行。

为实现上述目的，本发明还提供一种机器人示教方法的工艺步骤，包括上述的基于机器人示教记录系统，其特征在于，执行以下步骤：

步骤S21安装光学信标在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S22安装摄像头并与光学信标连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S23连接相机单元与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S24工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息；

步骤S25 IMU传感器数据传输至相机单元，相机对采集到的信标运动图像进行计算和处理，数据融合处理单元完成对IMU传感器数据和光学信标运动轨迹数据的融合；

步骤S26机器人系统复现示教动作；

在步骤S26中，所述的复现动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

其中，所述的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师手动或者数据处理工具自动修改后执行。

为实现上述目的，本发明还提供一种机器人示教方法的算法流程，包括上述的基于机器人示教记录系统，执行以下流程：

打开相机，确认相机的工作情况，打开IMU传感器及光学信标，确认IMU传感器及光学信标的工作情况，标定相机及光学信标，对机器人系统与示教系统进行坐标标定，确认标定情况，开始示教，确认示教完成，结束示教，保存示教文件，通过离线传输数据文件和在线传输姿态数据，将数据传输至机器人系统。

本发明的有益效果是：

1）本发明机器人示教记录系统是由IMU传感器及光学信标、相机及数据融合处理单元组成，示教执行相机及数据融合处理单元组成，不再要求机器人有额外传感器或者执行机构，减少基本零部件，降低成本，减少安装工序，提高效率。

2）本发明对计算单元的位置及接口连接的网络拓扑进行了两种不同的设计，计算单元既可以放在相机单元中，从而数据融合输出通过相机单元与机器人控制系统的数据交换网络完成。或者计算单元放在IMU及光学信标单元中，从而数据融合输出通过IMU传感器及光学信标单元与机器人控制系统的数据交换网络完成，具有更灵活的适用性。

3）机器人示教记录系统的的算法流程简单，易懂，可以降低对操作员的知识储备要求，有利于推广机器人的实际应用。

4）机器人复现示教工人的动作，只需要将示教工人的动作基本要求记录下来，包括位置、速度、加速度、工艺动作等，将此动作初始相对位置平移至机器人工作位，即可完整复现示教过程，操作便捷。

5）本发明的光学信标安装位置的空间编码既可以是均匀分布，也可以是随机生成的不均匀分布，安装多样，适用性更强。

6）本发明记录系统能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可，应用广泛、灵活。

附图说明

图1为本发明具体实施方式1的示教系统结构图。

图2为本发明机器人示教系统的算法流程图。

图3为本发明具体实施方式2的示教系统结构图。

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。

以下结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明的机器人示教记录系统，由光学信标、IMU传感器、相机、数据融合计算单元及机器人控制柜组成，其中：

所述的机器人控制柜为机器人的控制驱动单元，并接收由IMU传感器及视觉融合计算单元输出的数据或文件；

所述的光学信标及IMU传感器与示教执行机构固定安装在一起，并由示教工人操作；

所述的相机用于采集信标位置，并通过数据融合计算单元融合IMU传感器数据；

所述的数据融合计算单元最后融合输出为光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。

所述的光学信标的光学信标及IMU传感器与示教执行机构，且不是全部位于同一直线上。

所述的光学信标的安装位置的空间编码既可以是均匀分布，例如四边形、五边形、六边形、八边形等，也可以是随机生成的不均匀分布。

所述的机器人示教执行机构由示教工人掌握，且可以与机器人执行机构不一致。

所述的工艺动作可以加上时间标记或者空间位置标记，同时传送给数据融合计算单元。

本发明还提供了基于机器人示教记录系统示教方法的算法流程，具体如下：

打开相机，确认相机的工作情况，打开IMU传感器及光学信标，确认IMU传感器及光学信标的工作情况，标定相机及光学信标，对机器人系统与示教系统进行坐标标定，确认标定情况，开始示教，确认示教完成，结束示教，保存示教文件，通过离线传输数据文件和在线传输姿态数据，将数据传输至机器人系统。

优选地，此记录系统能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可。

其中，机器人复现示教工人的动作，只需要将示教工人的动作基本要求记录下来，包括位置、速度、加速度、工艺动作等，将此动作初始相对位置平移至机器人工作位，即可完整复现示教过程。

实施例1：

如图1所示，本发明的机器人示教记录系统，由光学信标117、IMU传感器116、相机115、数据融合计算单元118组成，示教执行机构119由IMU传感器116、光学信标117及数据融合计算单元118组成，其中：

光学信标117、IMU传感器116和数据融合计算单元118安装在一起，在不同的位置上安装6个光学信标117，光学信标117安装位置的空间编码采取六边形的均匀分布的方式，相机单元单独安装，并由示教工人操作；

相机用于采集信标位置，信标运动数据通过IMU传感器116及光学信标117单元与相机115的数据交换网络完成数据传输，并通过数据融合计算单元118融合IMU传感器116数据；

数据融合输出通过IMU传感器116及光学信标117单元与机器人控制系统的数据交换网络完成，数据融合计算单元118最后融合输出为光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。

在工艺动作上加上时间戳，以同时传送给数据融合计算单元，加快传送速率。

基于此机器人示教记录系统的示教方法的具体工艺步骤如下：

优选地，本发明还提供了一种基于机器人示教记录系统的示教方法的工艺步骤，包括如下：

步骤S11安装光学信标117在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S12安装摄像头并与光学信标117连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S13连接相机单元与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S14工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息；

步骤S15光学信标117通过相机单元115采集到的图像通过网络接口111和传输到网络接口112进而到达IMU传感器116单元，数据的计算、融合和输出通过网络接口113传输到网络接口114；

步骤S16机器人控制柜119执行机器人系统复现示教动作。

所述的复现示教动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

所述的机器人示教记录系统的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师或者自动工具修改后执行。

如图2所示，基于此机器人示教记录系统的示教方法的算法流程如下：

打开相机，确认相机的工作情况，打开IMU传感器及光学信标，确认IMU传感器及光学信标的工作情况，标定相机及光学信标，对机器人系统与示教系统进行坐标标定，确认标定情况，开始示教，确认示教完成，结束示教，保存示教文件，将数据传输至机器人系统。

所述的机器人示教记录系统的示教方法，所述的数据传输至机器人系统的方式可以为离线传输数据文件，也可以为在线传输姿态数据。

优选地，此记录系统能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可。

其中，机器人复现示教工人的动作，只需要将示教工人的动作基本要求记录下来，包括位置、速度、加速度、工艺动作等，将此动作初始相对位置平移至机器人工作位，即可完整复现示教过程。

实施例2：

如图3所示，本发明的机器人示教记录系统，由光学信标217、IMU传感器216、相机215、数据融合计算单元218组成，示教执行机构由IMU传感器216和光学信标217组成，其中：

光学信标217、IMU传感器216固定安装在一起，在不同的直线位置上安装6个光学信标217，光学信标217安装位置的空间编码采取随机生成的不均匀分布分布的方式，数据融合计算单元218和相机单元215安装在一起，并由示教工人操作；

相机215用于采集信标位置，IMU数据通过IMU传感器216及光学信标217单元与相机215的数据交换网络完成数据传输，并通过数据融合计算单元218融合IMU传感器216数据；

机器人示教执行机构由示教工人掌握，且与机器人执行机构不一致。

数据融合输出通过相机单元与机器人控制系统的数据交换网络完成，数据融合计算单元最后融合输出为光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。

对工艺动作加上加上时间标记或者空间位置标记，同时传送给数据融合计算单元，加快传送效率。

基于此机器人示教记录系统的示教方法的工艺步骤如下：

本发明还提供一种基于此机器人示教记录系统的机器人示教方法，包括以下步骤：

步骤S21安装光学信标217在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S22安装摄像头并与光学信标217连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S23连接相机单元215与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S24工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息，IMU 216和光学信标217通过网络接口211与网络接口212完成IMU及工艺动作信息的传输；

步骤S25数据融合处理单元单元218通过网络接口213对数据进行融合和输出，传输到网络接口214；

步骤S26机器人控制柜219执行机器人系统复现示教动作。

进一步地，所述的复现动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

进一步地，所述的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师或者自动工具修改后执行。

其中，基于此机器人示教记录系统的示教方法，其算法流程如下：

打开相机，确认相机的工作情况，打开IMU传感器及光学信标，确认IMU传感器及光学信标的工作情况，标定相机及光学信标，对机器人系统与示教系统进行坐标标定，确认标定情况，开始示教，确认示教完成，结束示教，保存示教文件，采用在线传输姿态数据的方式将数据传输至机器人系统。

优选地，此记录系统能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可。

其中，机器人复现示教工人的动作，只需要将示教工人的动作基本要求记录下来，包括位置、速度、加速度、工艺动作等，将此动作初始相对位置平移至机器人工作位，即可完整复现示教过程。

相较于现有技术，本发明的优势在于：

1）本发明机器人示教记录系统是由IMU传感器及光学信标、相机组成，示教的动作由IMU传感器及视觉计算融合而成，不再要求机器人有额外传感器或者执行机构，减少基本零部件，降低成本，减少安装工序，提高效率。

2）基于机器人示教记录系统示教方法的工艺动作可以加上时间标记或者空间位置标记，同时传送给数据融合计算单元，具有较好的功能扩展性，便于实际生产应用，提高生产效率。

3）机器人示教记录系统的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师或者自动工具修改后执行，具有更强的适用性。

4）机器人复现示教工人的动作，只需要将示教工人的动作基本要求记录下来，包括位置、速度、加速度、工艺动作等，将此动作初始相对位置平移至机器人工作位，即可完整复现示教过程，操作便捷。

5）本发明的光学信标安装位置的空间编码既可以是均匀分布，也可以是随机生成的不均匀分布，安装多样，适用性更强。

6）本发明记录系统能够应用于以下场合：示教动作及工艺可由示教工人完成，无需增加机器人传感器或者机械结构变更，机器人系统只需要接收外部指令或者外部文件即可，应用广泛、灵活。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种融合IMU与光学测距传感器的机器人示教记录系统，其特征在于，所述的机器人示教记录系统是由光学信标、IMU传感器、相机、数据融合计算单元、机器人控制柜组成，其中：

所述的机器人控制柜为机器人的控制驱动单元，并接收由IMU传感器及视觉融合计算单元输出的数据或文件；

所述的光学信标及IMU传感器与示教执行机构固定安装在一起，并由示教工人操作；

所述的相机用于采集信标位置，并通过数据融合计算单元融合IMU数据；

所述的数据融合计算单元最后融合输出为光学信标的位置、速度、加速度及在对应位置的工艺动作。

2.根据权利要求1中所述的机器人示教记录系统，其特征在于，所述的光学信标的安装位置的个数要求大于三个，且不是全部位于同一直线上。

3.根据权利要求1中所述的机器人示教记录系统，其特征在于，所述的光学信标的安装位置的空间编码既可以是均匀分布，例如四边形、五边形、六边形、八边形等，也可以是随机生成的不均匀分布。

4.根据权利要求1中所述的机器人示教记录系统，其特征在于，所述的示教执行机构由示教工人掌握，且可以与机器人执行机构不一致。

5.根据权利要求1中所述的机器人示教记录系统，其特征在于，所述的工艺动作可以加上时间标记或者空间位置标记，方便同时传送给数据融合计算单元。

6.一种机器人示教方法的工艺步骤，包括上述权利要求1至5任一项所述的基于机器人示教记录系统，其特征在于，执行以下步骤：

步骤S11：安装光学信标在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S12：安装摄像头并与光学信标连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S13：连接相机单元与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S14：工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息；

步骤S15：学信标的运动通过相机单元的图像采集处理之后，计算出信标的空间运动轨迹并传输到数据融合计算单元，进行数据的计算、融合和输出；

步骤S16：机器人系统复现示教动作；

在步骤S16中，所述的复现示教动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

7.根据权利要求6所述的机器人示教方法的工艺步骤，其特征在于，所述的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师手动或者数据处理工具自动修改后执行。

8.一种机器人示教方法的工艺步骤，包括上述权利要求1至5任一项所述的基于机器人示教记录系统，其特征在于，执行以下步骤：

步骤S21安装光学信标在示教工具之上，与示教工具固定连接；

步骤S22安装摄像头并与光学信标连接，完成通讯的初始化，完成摄像机与IMU传感器的坐标标定；

步骤S23连接相机单元与机器人系统，完成“机器人-示教系统”坐标标定；

步骤S24工人示教，系统记录示教工具的位置、速度、加速度、工艺动作信息；

步骤S25 IMU传感器数据传输至相机单元，相机对采集到的信标运动图像进行计算和处理，数据融合处理单元完成对IMU传感器数据和光学信标运动轨迹数据的融合；

步骤S26机器人系统复现示教动作；

在步骤S26中，所述的复现动作可以离线完成，也可在线完成，整个动作和工艺文件在经过机器人系统后处理之后完成。

9.根据权利要求8所述的机器人示教方法的工艺步骤，其特征在于，所述的示教方法既可以实时复现，也可以经由工程师手动或者数据处理工具自动修改后执行。

10.一种机器人示教方法的算法流程，包括上述权利要求1至5任一项所述的基于机器人示教记录系统，其特征在于，执行以下流程：

打开相机，确认相机的工作情况，打开IMU传感器及光学信标，确认IMU传感器及光学信标的工作情况，标定相机及光学信标，对机器人系统与示教系统进行坐标标定，确认标定情况，开始示教，确认示教完成，结束示教，保存示教文件，通过离线传输数据文件和在线传输姿态数据，将数据传输至机器人系统。