CN108527320B - 一种基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法,包括以下步骤:在上位机上安装人机交互软件,在机器人控制器中添加引导示教程序；将上位机与机器人控制系统连接,三维鼠标与上位机通讯,三维鼠标安装在机器人本体末端执行器上；人工在三维鼠标上施加不同大小和方向的力,引导机器人在相应的方向进行动作,机器人控制器将动作过程中的机器人的位姿、速度和加速度信息上传至上位机，上位机人机交互软件生成机器人动作程序文件；机器人运行生成的机器人动作程序文件，实现机器人动作的复现。采用本发明的引导示教方法能够使机器人示教更易操作、成本更低、通用性更强，而且可遥控操作。

Description

一种基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法

技术领域

本发明属于机器人示教技术领域，特别涉及一种机器人引导示教技术领域。

背景技术

为使工业机器人能按需完成作业任务，示教过程必不可少。传统的示教技术一般分为示教器示教、离线示教。示教器示教要求示教者通过示教器按照需要的轨迹将一个个坐标点输送给机器人，对于平面简单的轨迹此方式可以满足要求，无法满足像喷涂、打磨这些复杂的轨迹需求，示教效率较低。离线示教，是通过离线编程软件根据工作任务需求自动生成机器人的运动轨迹，编程效率体高，但大多数机器人需要专门的离线编程软件，通用性差，而且操作者需要熟悉机器人运动学、动力学等机器人相关知识，示教门槛较高。

可见传统的示教方式往往呈现出示教过程繁琐、示教不直观、交互性差、门槛高等劣势，而新兴的引导示教技术使人和机器人在同一空间内进行人机互动，操作者可以更加直接地将自己的意图传递给机器人，来完成工作任务，大幅度提高生产效率，尤其在实现复杂轨迹方面有突出的优势。

专利CN107274777A公开的“一种V-REP的机器人虚拟示教系统”利用开放式框架的离线仿真软件V-REP的虚拟环境和三维鼠标的辅助输入，可以实现简单的示教，通用性有所提高，但功能不如专门的离线编程软件丰富，且仍不可避免离线示教门槛高、实现过程复杂的缺点。

专利CN106826769A公开的“一种工业机器人快速示教装置及其实现方法”通过中间连接件将六维力传感器安装在法兰上，可以快速拆卸六维传感器，但因使用六维力传感器和额外的设备，使成本大大增加，不能远距离引导；而且需要重力补偿、力的转换等环节，实现过程较为繁琐。

专利CN107097233A公开的“一种无力矩传感器的工业机器人拖动示教”通过动力模型和外力估计算法，克服重力和摩擦力，使机器人处于零力控制状态，来便于手动牵引机器人移动。这种方式不增加额外的成本，可实现机器人的自由拖动，但需要很高的权限开发机器人控制器，一般市场上的机器人控制器开放的权限很低，所以此方法通用性差。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种易操作、成本低、通用性强、可遥控的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，包括以下步骤：

步骤一、在上位机上安装人机交互软件，在机器人控制器中添加引导示教程序：

在所述的人机交互软件的界面上设置有辅助按钮，通过单击辅助按钮可以选择引导示教过程中的示教模式、引导模式、机器人动作参考坐标系、进行机器人关节电机上电、断电、记录示教信息和生成机器人动作程序文件；所述的人机交互软件的内部程序包括两个线程，线程A用来接收三维鼠标的数据和向机器人控制器发送数据，具体步骤为：调用Windows API函数读取三维鼠标实时发送给上位机的数据和读取软件界面上被触发的辅助按钮数据，并将数据转化成与控制机器人动作相关的参量，以数组的形式通过socket通信，发送给机器人控制器；线程B用来接收机器人控制器传来的数据和生成机器人动作程序文件，具体步骤为：通过socket通信,接收机器人控制器上传的引导过程中机器人的位姿、速度、加速度信息，并以数组的形式保存，待引导结束后，软件自动对数据分析处理，去除冗余示教点，分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并自动生成机器人动作程序文件；

所述的引导示教程序利用与机器人控制器配套的开发环境软件，在机器人控制器原工程项目中编写添加引导示教工程项目，并下载到机器人控制器中；所述的引导示教工程项目包括三个部分：通信程序1、通信程序2和主程序，通信程序1利用socket通信接收上位机人机交互软件的线程A发来的数据，通信程序2利用socket通信向上位机发送数据，由人机交互软件的线程B接收；主程序对通信程序1接收的数组形式的数据进行处理，调用机器人控制器内部函数根据处理后的数据控制机器人实时动作，同时读取引导过程中机器人的位姿、速度和加速度信息，以数组形式通过通信程序2发送给上位机人机交互软件；

步骤二、上位机与机器人控制系统中的机器人控制器通过网线相连接，机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连，三维鼠标的无线接收器连接到上位机的USB接口，根据工作任务需要将三维鼠标安装在机器人本体末端执行器上或者将三维鼠标脱离机器人，遥控引导机器人动作；

步骤三、在上位机上运行人机交互软件；通过机器人示教器上的钥匙开关将机器人控制器切换到外部自动模式；点击三维鼠标按键设定示教模式、引导模式和机器人动作参考坐标系；点击三维鼠标按键给机器人关节电机上电，按照工作任务操纵三维鼠标，引导机器人本体末端执行器进行平移或旋转，到达特定的示教点或移动特定的轨迹，同时通过点击三维鼠标按键记录引导过程中机器人在特定示教点处的位姿或在特定轨迹中的位姿、速度和加速度信息，点击按键断电停止引导，引导结束后，点击按键，上位机人机交互软件对数据进行分析处理，去除冗余示教点、分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并生成复现引导过程中机器人动作的机器人动作程序文件，保存在上位机D盘根目录下。

步骤四、在上位机的D盘根目录下查看人机交互软件生成的机器人动作程序文件，通过U盘将程序文件拷贝到机器人控制器中，将机器人控制器切换到手动模式，在管理员权限下加载机器人程序并运行；将机器人控制器切换到自动模式，运行机器人程序，从而实现引导过程中机器人动作的复现；

步骤五、若机器人复现动作平稳，复现轨迹满足工作要求，则断开上位机与三维鼠标、机器人控制器的连接，收起三维鼠标；若复现效果不满足工作要求，则重复步骤三到步骤五，直到满足要求为止。

本发明的有益效果是：本发明的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法通过操作者在三维鼠标上施加不同大小、不同方向的力，来引导机器人在不同的参考坐标系下以相应的速度、在相应映射方向上移动，并可以实现动作复现，不需要专门的知识，门槛低，易操作；三维鼠标与力矩传感器相比，价格优势明显，使得此方法成本较低；实现过程不需要很高的机器人控制权限，适用于大多数关节机器人，通用性强；三维鼠标通过无线方式连接到计算机上，摆脱了线缆的束缚，可以实现对机器人的远距离引导。

附图说明

图1是本发明的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法的工作原理示意图；

图2是本发明的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法的硬件连接示意图；

图3是本发明基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法的引导过程流程图；

图4是本发明基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法的复现过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细阐述。

如图1-图4所示，本发明的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，包括以下步骤：

步骤一、在上位机上安装人机交互软件，在机器人控制器中添加引导示教程序。

所述的人机交互软件可以利用Microsoft Visual Studio 2010(简称VS2010)编写，在所述的人机交互软件的界面上设置有辅助按钮，通过单击辅助按钮可以选择引导示教过程中的示教模式、引导模式、机器人动作参考坐标系、进行机器人关节电机上电、断电、记录示教信息和生成机器人动作程序文件，所述的人机交互软件内部程序包括两个线程。线程A用来接收三维鼠标的数据和向机器人控制器发送数据，具体步骤为：调用WindowsAPI函数读取三维鼠标实时发送给上位机的数据(由三维鼠标六个自由度的数据和按键数据组成)和读取软件界面上被触发的辅助按钮数据，并将数据转化成与控制机器人动作相关的参量，以数组的形式通过socket通信，发送给机器人控制器。线程B用来接收机器人控制器传来的数据和生成机器人动作程序文件，具体步骤为：通过socket通信,接收机器人控制器上传的引导过程中机器人的位姿、速度、加速度信息，并以数组的形式保存，待引导结束后，软件自动对数据分析处理，去除冗余示教点，分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并自动生成机器人动作程序文件。

所述的引导示教程序可以利用与机器人控制器配套的开发环境软件(比如KEBA控制器配套的开发环境软件为KeStudio软件)，在机器人控制器原工程项目中编写添加引导示教工程项目，并下载到机器人控制器中。所述的引导示教工程项目包括三个部分：通信程序1、通信程序2和主程序。通信程序1利用socket通信接收上位机人机交互软件的线程A发来的数据。通信程序2利用socket通信向上位机发送数据，由人机交互软件的线程B接收。主程序对通信程序1接收的数组形式的数据进行处理，调用机器人控制器内部函数根据处理后的数据控制机器人实时动作，同时读取引导过程中机器人的位姿、速度和加速度信息，以数组形式通过通信程序2发送给上位机人机交互软件。为安全起见，引导示教工程的主程序需在机器人控制器外部自动模式下才能运行。

步骤二、如图2所示，上位机与机器人控制系统中的机器人控制器通过网线相连接，机器人控制系统按现有方式连接(即机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连)，三维鼠标的无线接收器连接到上位机的USB接口，根据工作任务需要将三维鼠标安装在机器人本体末端执行器上或者将三维鼠标脱离机器人，遥控引导机器人动作，比如手持或放在桌面上。

步骤三、如图3所示，在上位机上运行人机交互软件；通过机器人示教器上的钥匙开关将机器人控制器切换到外部自动模式；点击三维鼠标按键设定示教模式、引导模式和机器人动作参考坐标系；点击三维鼠标按键给机器人关节电机上电，按照工作任务操纵三维鼠标，引导机器人本体末端执行器进行平移或旋转，到达特定的示教点或移动特定的轨迹，同时通过点击三维鼠标按键记录引导过程中机器人在特定示教点处的位姿或在特定轨迹中的位姿、速度和加速度信息，点击按键断电停止引导。引导过程中可以在人机交互软件界面上查看三维鼠标与上位机、上位机与机器人控制器之间通信的数据，引导结束后，点击按键，上位机人机交互软件对数据进行分析处理，去除冗余示教点、分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并生成复现引导过程中机器人动作的机器人动作程序文件，保存在上位机D盘根目录下。

本步骤中的示教模式分为点位模式和连续轨迹模式。在点位模式下，按键上电，操纵三维鼠标，引导机器人按工作任务到特定示教点，按键记录示教信息，机器人控制器将此点的机器人位姿信息发送给上位机保存。在连续轨迹模式下，按键上电，操纵三维鼠标引导机器人到开始位置，点击按键开始记录示教信息，引导机器人按工作任务移动特定轨迹，引导过程中机器人控制器不断将机器人位姿、速度及加速度信息发送给上位机保存。在引导过程中，可根据需要切换不同的示教模式进行引导。

本步骤中的机器人引导模式包括：自由模式、位置模式和姿态模式。自由模式为引导机器人在关节坐标系或者笛卡尔坐标系下沿着任意自由度动作；位置模式为保持机器人末端执行器当前的姿态，引导机器人以相同的姿态到不同的位置；姿态模式为保持机器人工具中心点(TCP)的位置不变，引导机器人改变末端执行器的姿态。在引导过程中，可根据需要切换不同的引导模式进行引导。

本步骤中的机器人动作参考坐标系包括关节坐标系、笛卡尔坐标系(包括世界坐标系、工具坐标系和工件坐标系)。对不同的机器人动作参考坐标系，三维鼠标的六个自由度(X、Y、Z、RX、RY、RZ)进行不同的映射。在关节坐标系下，三维鼠标的六个自由度依次映射机器人轴一到轴六的转动；在笛卡尔坐标系下，三维鼠标的六个自由度依次映射到机器人的六个自由度(X、Y、Z、RX、RY、RZ)。在引导过程中，可根据需要切换不同的机器人动作参考坐标系进行引导。

本步骤中的点击三维鼠标按键，实现上电、断电、切换示教模式、切换动作模式、切换参考坐标系、记录示教信息、生成机器人动作程序文件，实施方法是以不同方式点击三维鼠标的两个按键，上位机人机交互软件生成不同的数据信息，发送给机器人控制器，从而实现多种命令。点击方式有单击、双击、短按、长按、同时按等。另外，也可以通过单击人机交互软件界面上的辅助按钮来实现这些命令。

本步骤中的机器人动作程序文件按照机器人控制器特定的程序文件格式进行编写。程序主要利用直线运动指令(比如KEBA控制器的直线运动指令为Lin)，根据目标点的位姿、速度、加速度，控制机器人实现复现过程中相邻两示教点间的移动。不同品牌的机器人，机器人动作程序文件的格式、扩展名以及指令集是不同的，因此对于不同品牌的机器人，人机交互软件的有关生成机器人动作程序文件的脚本要做相应的修改。

步骤四、如图4所示，在上位机的D盘根目录下查看人机交互软件生成的机器人动作程序文件，通过U盘将程序文件拷贝到机器人控制器中。将机器人控制器切换到手动模式，在管理员权限下加载机器人程序并运行；将机器人控制器切换到自动模式，运行机器人程序，从而实现引导过程中机器人动作的复现。

步骤五、若机器人复现动作平稳，复现轨迹满足工作要求，则断开上位机与三维鼠标、机器人控制器的连接，收起三维鼠标；若复现效果不满足工作要求，则重复步骤三到步骤五，直到满足要求为止。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、在上位机上安装人机交互软件，在机器人控制器中添加引导示教程序：

在所述的人机交互软件的界面上设置有辅助按钮，通过单击辅助按钮可以选择引导示教过程中的示教模式、引导模式、机器人动作参考坐标系、进行机器人关节电机上电、断电、记录示教信息和生成机器人动作程序文件；所述的人机交互软件的内部程序包括两个线程，线程A用来接收三维鼠标的数据和向机器人控制器发送数据，具体步骤为：调用WindowsAPI函数读取三维鼠标实时发送给上位机的数据和读取软件界面上被触发的辅助按钮数据，并将数据转化成与控制机器人动作相关的参量，以数组的形式通过socket通信，发送给机器人控制器；线程B用来接收机器人控制器传来的数据和生成机器人动作程序文件，具体步骤为：通过socket通信,接收机器人控制器上传的引导过程中机器人的位姿、速度、加速度信息，并以数组的形式保存，待引导结束后，软件自动对数据分析处理，去除冗余示教点，分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并自动生成机器人动作程序文件；

所述的引导示教程序利用与机器人控制器配套的开发环境软件，在机器人控制器原工程项目中编写添加引导示教工程项目，并下载到机器人控制器中；所述的引导示教工程项目包括三个部分：通信程序1、通信程序2和主程序，通信程序1利用socket通信接收上位机人机交互软件的线程A发来的数据，通信程序2利用socket通信向上位机发送数据，由人机交互软件的线程B接收；主程序对通信程序1接收的数组形式的数据进行处理，调用机器人控制器内部函数根据处理后的数据控制机器人实时动作，同时读取引导过程中机器人的位姿、速度和加速度信息，以数组形式通过通信程序2发送给上位机人机交互软件；

步骤二、上位机与机器人控制系统中的机器人控制器通过网线相连接，机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连，三维鼠标的无线接收器连接到上位机的USB接口，根据工作任务需要将三维鼠标安装在机器人本体末端执行器上或者将三维鼠标脱离机器人，遥控引导机器人动作；

步骤三、在上位机上运行人机交互软件；通过机器人示教器上的钥匙开关将机器人控制器切换到外部自动模式；点击三维鼠标按键设定示教模式、引导模式和机器人动作参考坐标系；点击三维鼠标按键给机器人关节电机上电，按照工作任务操纵三维鼠标，引导机器人本体末端执行器进行平移或旋转，到达特定的示教点或移动特定的轨迹，同时通过点击三维鼠标按键记录引导过程中机器人在特定示教点处的位姿或在特定轨迹中的位姿、速度和加速度信息，点击按键断电停止引导，引导结束后，点击按键，上位机人机交互软件对数据进行分析处理，去除冗余示教点、分段得出机器人在运行过程中的最大速度和最大加速度，并生成复现引导过程中机器人动作的机器人动作程序文件，保存在上位机D盘根目录下；点击三维鼠标按键，实现上电、断电、切换示教模式、切换动作模式、切换参考坐标系、记录示教信息、生成机器人动作程序文件，实施方法是以不同方式点击三维鼠标的两个按键，上位机人机交互软件生成不同的数据信息，发送给机器人控制器，从而实现多种命令，点击方式有单击、双击、短按、长按和同时按；

步骤四、在上位机的D盘根目录下查看人机交互软件生成的机器人动作程序文件，通过U盘将程序文件拷贝到机器人控制器中，将机器人控制器切换到手动模式，在管理员权限下加载机器人程序并运行；将机器人控制器切换到自动模式，运行机器人程序，从而实现引导过程中机器人动作的复现；

步骤五、若机器人复现动作平稳，复现轨迹满足工作要求，则断开上位机与三维鼠标、机器人控制器的连接，收起三维鼠标；若复现效果不满足工作要求，则重复步骤三到步骤五，直到满足要求为止。

2.根据权利要求1所述的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，其特征在于：所述的示教模式分为点位模式和连续轨迹模式；其中在点位模式下，按键上电，操纵三维鼠标，引导机器人按工作任务到特定示教点，按键记录示教信息，机器人控制器将此点的机器人位姿信息发送给上位机保存；在连续轨迹模式下，按键上电，操纵三维鼠标引导机器人到开始位置，点击按键开始记录示教信息，引导机器人按工作任务移动特定轨迹，引导过程中机器人控制器不断将机器人位姿、速度及加速度信息发送给上位机保存。

3.根据权利要求1或者2所述的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，其特征在于：所述的引导模式包括：自由模式、位置模式和姿态模式，其中自由模式为引导机器人在关节坐标系或者笛卡尔坐标系下沿着任意自由度动作；位置模式为保持机器人末端执行器当前的姿态，引导机器人以相同的姿态到不同的位置；姿态模式为保持机器人工具中心点的位置不变，引导机器人改变末端执行器的姿态。

4.根据权利要求1或者2所述的基于三维鼠标的协作机器人引导示教方法，其特征在于：所述的动作参考坐标系包括关节坐标系、笛卡尔坐标系，其中在关节坐标系下，三维鼠标的六个自由度依次映射机器人轴一到轴六的转动；在笛卡尔坐标系下，三维鼠标的六个自由度依次映射到机器人的六个自由度。

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