CN108748152A - 一种机器人示教方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种机器人示教方法，包括以下步骤：建立机器人操作任务类型库，在该任务类型库中定义可供操作人员选择的操作任务类型；操作人员在机器人操作任务类型库中选定类型名称；操作人员测量能够确定末端执行器位姿的工件相关几何特征的实际位姿；根据所述操作人员选定的任务类型以及测量得到的工件相关几何特征的实际位姿，通过求解机器人运动学模型得到末端执行器和机器人各杆件的运动轨迹；将该机器人各杆件的运动轨迹转化成机器人执行代码，并将该代码发送给机器人完成该操作任务。一种机器人示教系统，包括任务类型库、示教工具、位姿测量模块及控制模块。本发明能提高机器人示教效率并减少机器人占用时间，可适用于小批量、多品种、具有不确定性的非结构化工作环境。

Description

一种机器人示教方法及系统

技术领域

本发明属于机器人控制相关技术领域，涉及机器人示教方法及系统。

背景技术

机器人具有效率高、柔性好、智能化等特点，因此在工业和服务领域都得到广泛应用。工业机器人在过去数十年已成功用于汽车、食品、医药等行业的生产自动化，成为主要的搬运、装配、喷涂和包装等自动化设备。服务机器人近年来发展迅速，可应用于餐饮、医疗、康复和救援等场合。根据任务要求，机器人应用通常需要集成一个或多个末端执行器和工作对象进行交互，并驱使末端执行器按照指定的空间运动轨迹进行运动。

末端执行器运动轨迹的生成，是通过机器人示教过程来实现。目前，机器人示教主要包括直接示教、拖动示教以及离线编程三种方法。

直接示教是操作人员通过示教器直接操作机器人驱使末端执行器运动至所需位姿，并记录下机器人的运动轨迹。拖动示教是通过机器人力控，使得操作人员能够拖动机器人末端执行器到达指定位姿。直接示教和拖动示教均采用机器人路径重复再现的原理，需要操作人员近距离操作并观察机器人，具有一定安全风险；此外，在示教过程中机器人必须停止正常作业以完成示教活动，示教过程时间长、效率低，大量占用机器人的作业时间。

离线编程利用机器人和工件的三维实体模型，在计算机虚拟环境中指给定末端执行器位姿，并离线计算出机器人的运动轨迹。离线编程不需要操作人员对机器人进行操作，不占用机器人作业时间，但需要提供工件准确的三维实体模型及其和机器人的相对位姿，否则离线编程则难以实施。

因此，目前的机器人示教方法难以适用于小批量、多品种、具有不确定性的非结构化工作环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人示教方法和系统，以解决现有技术中所存在的上述问题。

为达到上述目的，本发明的机器人示教方法包括以下步骤：

步骤一：建立机器人操作任务类型库，在该任务类型库中定义可供操作人员选择的操作任务类型。每个操作任务需要定义以下信息：类型名称、任务所需末端执行器的CAD模型、以及确定末端执行器在任务中的位姿所需的工件相关几何特征。所述的类型名称由操作人员在示教中指定，任务类型可以是机器人钻孔、抓取、焊接、搬运或者其他和工件进行交互的操作。所述的末端执行器根据任务类型确定，优选地，可采用不同的末端执行器完成同一种任务类型并可由操作人员在示教中选定。所述的工件相关几何特征能够确定末端执行器在指定操作任务中的位姿，例如以钻孔操作为例，末端执行器的位姿由工件上待钻孔的中心点位置和中心线方向确定；所述的工件相关几何特征可以是工件上的点、直线、平面、圆柱面、球面以及其他几何特征；这些几何特征需要由操作人员在示教中测量其实际位姿。

步骤二：操作人员在机器人操作任务类型库中选定类型名称。操作人员在选定类型名称后，可进一步选择完成该任务的末端执行器。在操作人员选定类型名称后，提示操作人员测量所述的工件相关几何特征。

步骤三：操作人员测量所述的工件相关几何特征的实际位姿。位姿测量通过示教工具和位姿测量设备实现。所述的位姿测量设备能够测量安装在被测物上的标识在运动时的实际位姿。所述示教工具上装有至少一个能被所述位姿测量设备测量的标识，操作人员移动示教工具时，位姿测量设备通过测量示教工具上的标识的位姿得到所述的工件相关几何特征的实际位姿。

步骤四：根据所述操作人员选定的任务类型以及测量得到的工件相关几何特征的实际位姿，通过求解机器人运动学模型得到末端执行器和机器人各杆件的运动轨迹。可进一步对所得运动轨迹进行机器人的工作空间检测和干涉检测。优选地，向操作人员显示所得的运动轨迹，并由操作人员进行确认。

步骤五：将该机器人各杆件的运动轨迹转化成机器人执行代码，并将该代码发送给机器人完成该操作任务。

本发明的机器人示教系统至少包括：任务类型库、示教工具、位姿测量模块及控制模块。

所述任务类型库用以描述操作中末端执行器的位姿和工件上几何特征的关联，需要在示教前预先建立。任务类型库中的每个任务类型至少包括以下信息：类型名称、任务所需末端执行器的CAD模型、以及确定末端执行器在任务中的位姿所需的工件相关几何特征。优选地，任务类型库在网络服务器上实现，可用于多台机器人的示教。

所述位姿测量模块包括至少一种位姿测量设备，用于测量所述的工件相关几何特征的实际位姿。所述的位姿测量设备能够测量安装在被测物上的标识在运动时的实际位姿。所述的位姿测量设备可以是基于双目视觉、电磁或其他原理的运动跟踪系统。如果采用基于双目视觉的跟踪系统，标识上可带有至少一个红外光源，使其运动可以被跟踪系统识别。

所述示教工具由操作人员进行操作，用于指定所述的确定末端执行器位姿所需的工件相关几何特征。所述示教工具上装有至少一个能被所述位姿测量设备测量的标识，该标识的形状可以是球形、圆柱形或者其他形状。所述示教工具配有用户界面，能够进行信息提示、信息输入等人机交互。优选地，所述示教工具能被操作人员手持并移动。优选地，所述示教工具采用无线通讯进行数据传递，以方便示教工具的人工操作。优选地，示教工具带有探测头，当探测头和工件接触时，示教工具将发送测量实际位姿的触发信号。优选地，将所述的位姿测量设备可安装在地面上并在机器人上也安装至少一个所述的测量标识，从而测量出所述的工件相关几何特征相对于机器人的实际位姿。优选地，所述示教工具的用户界面能够显示出末端执行器和机器人的运动轨迹。

所述控制模块能够和机器人、任务类型库、示教工具、以及位姿测量模块进行通讯。控制模块具有末端执行器运动轨迹生成功能，即能够从位姿测量模块获取所述的工件相关几何特征的实际位姿数据，并能够根据该位姿数据计算出末端执行器在执行任务时的运动轨迹。控制模块具有机器人运动轨迹生成功能，即能够通过机器人运动学模型，求解出产生上述末端执行器运动轨迹的机器人各杆件的运动轨迹。控制模块具有机器人指令生成的功能，即能将上述的机器人运动轨迹转化成机器人可执行的代码，并能将该代码发送给机器人完成该操作任务。控制模块具有机器人工作空间检测和干涉检测功能，即能够检测上述机器人运动轨迹是否超出机器人工作空间以及是否发生干涉，如果机器人运动轨迹超出其工作空间或者产生干涉，控制模块能够给出警告信号，提示操作人员示教失败。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：在本发明中，操作人员无需操作机器人，只需要根据任务类型和实际工作环境，通过示教工具指定工件上少量的相关几何特征，而机器人的运动轨迹则通过测量所述的相关几何特征的实际位姿以及求解机器人的运动学模型得到。本示教方法既利用了操作人员的灵活性和判断能力，又充分利用了现代计算机高效的计算能力。因此，本发明能够提高机器人示教效率并减少机器人占用时间，可适用于小批量、多品种、具有不确定性的非结构化工作环境。

附图说明

图1A是本发明末端执行器位姿和工件相关几何特征的关联的示例图之一。

图1B是本发明末端执行器位姿和工件相关几何特征的关联的示例图之二。

图2是根据本发明方法实施例的机器人示教流程图。

图3是根据本发明实施方式的机器人示教系统的总体结构框图。

图4是根据本发明实施方式的机器人示教案例。

图5是根据本发明实施方式的位姿测量标识示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

首先，请参考图1A、图1B所示的描述本发明末端执行器位姿和工件相关几何特征的关联的两个例子。

以图1A所示的机器人钻孔操作110为例，如果操作人员能够测量出工件111上的待钻孔112的中心点113的实际位置和中心线114的实际方向，那么就能够确定末端执行器115在钻孔时的位姿。又以图1B所示的机器人抓取120为例，机器人通过双爪式末端执行器121抓取圆柱形工件122，如果操作人员能够测量出待抓取圆柱底面中心点123的实际位置、圆柱中心线124的实际方向、抓取截面的高度126和抓取时末端执行器轴线125的方向，那么就能确定末端执行器进行抓取时的位姿。

请参考图2所示根据该实施方式的机器人示教方法的流程。

步骤501：建立数据类型库，在数据类型库中预先定义所需示教的任务类型名称、末端执行器的CAD模型、以及确定末端执行器位姿的工件相关几何特征。

步骤502：操作人员从任务类型库中选择一种任务类型名称。

步骤503：根据所选定的任务类型名称，提示操作人员测量确定末端执行器位姿的工件相关几何特征。

步骤504：操作人员操作示教工具，测量所述的工件相关几何特征的实际位姿。

步骤505：根据上述选定的任务类型以及测量所得的工件相关几何特征的实际位姿，得到末端执行器的运动轨迹。

步骤506：通过求解机器人运动学逆解模型得到机器人各杆件的运动轨迹。

步骤507：进行机器人工作空间检测和干涉检测，检测所得的机器人运动轨迹是否超出机器人工作空间检测或者是否产生干涉。

如果工作空间检测或干涉检测不通过，将执行如下步骤508。

步骤508：给出警告，提示操作人员示教失败。

如果工作空间检测和干涉检测通过，将执行如下步骤509至511。

步骤509：操作人员确认生成的机器人运动轨迹。

步骤510：将机器人运动轨迹转化成机器人执行代码，并将该代码发送给机器人。

步骤511：机器人完成操作任务。

另一方面，请参考图3所示的根据该实施方式的机器人示教系统的总体结构框架示意图。

如图3所示，机器人示教系统200包括任务类型库210、示教工具220、位姿测量模块230以及控制模块240。

在本实施方法中，任务类型库210在示教前预先定义了操作任务类型A(211)和类型B(212)。完成类型A的操作任务，需要操作人员测量工件上的几何特征A1和几何特征A2；完成类型B的操作任务，需要操作人员测量工件上的几何特征B1和几何特征B2；显而易见，根据实际需要，还可以在任务类型库210中定义其他任务类型，例如类型C、类型D、类型E……等等，此不赘述。

示教工具220上装有位姿测量标识221，并配有用户界面222以方便操作人员250和示教系统200进行人机交互。

位姿测量模块230包括位姿测量设备231，能测量出标识221的实际位姿。此外，位姿测量模块230包括位姿转化软件232，能将测量所得位姿在不同坐标系下进行转换。

控制模块240包括末端执行器运动轨迹生成软件241、机器人运动轨迹生成软件242、工作空间和干涉检测软件243以及机器人指令生成软件244。末端执行器运动轨迹生成软件241能够根据任务类型以及测量所得的工件相关几何特征的实际位姿，输出末端执行器的运动轨迹。机器人运动轨迹生成软件242能够通过求解机器人运动学逆解模型，输出产生所需末端执行器运动轨迹的机器人各杆件的运动轨迹。工作空间和干涉检测软件243能够确定机器人运动轨迹是否超出机器人工作空间以及是否产生干涉。机器人指令生成软件244能将机器人运动轨迹转化成机器人能执行的代码，并传送给机器人260。

请参考图4和图5所示的根据该实施方式的机器人示教案例。

如图4所示，在该实施方式案例中，需要使用机器人310对工件320进行钻孔操作，即在平面321上钻盲孔322。机器人310是多转动关节型机器人，末端装有钻孔执行器311，该执行器上装有位姿测量标识312。对于该实施方式，位姿测量标识上带有多个红外光源401(请参阅图5)。

根据该实施方式，机器人示教系统的任务类型库330在一台服务器上实现。对于钻孔操作，要确定末端执行器在钻孔时的位姿，需要操作人员测量工件上的以下相关几何特征：孔中心点323的实际位置和孔中心线324的方向(即平面321的法线方向)。

示教工具340上装有位姿测量标识341，其结构和末端执行器311上的位姿测量标识312相同。示教工具340的构造轻便，操作人员350可直接手持并移动示教工具340。示教工具340的顶端带有探测头342，当探测头342和工件320接触时，示教工具340将向控制模块360发送位姿测量采集的触发信号。示教工具的用户界面343通过一块控制面板实现，操作人员可以通过面板上的触摸屏344和按钮345输入信息。对于该实施案例，操作人员可以通过用户界面343选择任务类型、输入孔的深度和钻孔执行器进给速度、以及确认生成的机器人运动轨迹。示教工具340和用户界面343均能够和控制模块360进行数据传递。

该实施方式中的位姿测量模块370包括一台安装在地面上的双目视觉运动跟踪系统，能通过测量标识上的红外光源401(请参阅图5)的空间位置得到上述的工件相关几何特征(即孔中心点323的位置和孔中心线324的方向)相对于机器人310的实际位姿。

根据该实施方式，控制模块360通过一台计算机实现，能够和上述任务类型库330、示教工具340及其用户界面343、位姿测量模块370以及机器人310进行通讯。

最后，对于上述机器人钻孔示教案例，步骤501至511(请参阅图2)可描述如下：

步骤501：在本机器人钻孔案例中，需要在数据类型库中预先定义“钻孔”任务类型、钻孔末端执行器的CAD模型、以及定义需要测量的工件相关几何特征为待测孔的中心点位置和中心线方向。

步骤502：在本机器人钻孔案例中，操作人员选择任务类型名称“钻孔”。

步骤503：在本机器人钻孔案例中，将提示操作人员测量工件上待钻孔的中心点位置和中心线方向。

步骤504：在本机器人钻孔案例中，操作人员350根据用户界面343的提示，手持并移动示教工具340，用其顶端的探测头342接触工件320上的孔中心点323，探测头向控制模块360发送采集数据的触发信号。类似的，操作人员350用探测头342先后接触平面321上的三个点，以测量平面321的法线方向(即孔中心线322的方向)。然后，操作人员在用户界面343上直接输入孔的深度和钻孔执行器的进给速度。

步骤505：在本机器人钻孔案例中，当探测头342和工件320接触时，示教工具340将向控制模块360发送位姿测量采集的触发信号，然后位姿测量模块370将采集示教工具340上的标识341的位姿以及探测头342的位置，从而分别得到孔中心323的位置矢量P_m以及孔中心线324的方向矢量n_m，其中的下标m表示该位置矢量和方向矢量是相对于位姿测量模块的基准坐标系371。然后，位姿测量模块370测量机器人末端执行器311上的标识312的位姿，从而得到机器人末端执行器坐标系313原点相对于位姿测量模块基准坐标系371的位置矢量t，以及从机器人末端执行器坐标系313到位姿测量模块基准坐标系371的旋转矩阵R。那么，孔中心点323的位置矢量P_m以及孔中心线324的方向矢量n_m在机器人末端执行器坐标系中可转化成：

P_r＝R^T(P_m-t),n_r＝R^Tn_m

其中的下标r表示该位置矢量和方向矢量是相对于机器人末端执行器坐标系313。

步骤506：在本机器人钻孔案例中，控制模块360根据“钻孔”任务类型、在步骤505中所测得的孔中心点323的位置矢量P_r和孔中心线324的方向矢量n_r、以及操作人员在步骤504中输入的孔的深度和钻孔执行器的进给速度，计算得到末端执行器钻孔时的位姿(请参阅图3中314)，并进一步通过运动插补得到末端执行器311从初始位姿到钻孔位姿的运动轨迹315。然后，通过求解机器人310的运动学逆解模型，得出实现末端执行器运动轨迹315的机器人各杆件的运动轨迹。

步骤507：在本机器人钻孔案例中，控制模块将检测在步骤506中产生的机器人运动轨迹是否超出机器人310的工作空间以及是否在运动过程中产生干涉。

如果控制模块进行工作空间检测和干涉检测不通过，将执行如下步骤508。

步骤508：在本机器人钻孔案例中，在示教工具的用户界面343上以动画形式显示在步骤507和508中分别生成的末端执行器和机器人的运动轨迹以及超出工作空间或产生干涉的机器人位姿，提示操作人员示教失败，由操作人员决定是否重新示教。

如果控制模块进行工作空间检测和干涉检测通过，将执行如下步骤509至511。

步骤509：在本机器人钻孔案例中，在示教工具的用户界面343上显示在步骤507中生成的末端执行器和机器人的运动轨迹，然后操作人员通过按钮345确认生成的机器人轨迹是正确的。

步骤510：在本机器人钻孔案例中，控制模块360在得到操作人员确认后，将在步骤508中生成的机器人运动轨迹转化成机器人执行代码，并发送给机器人310的控制器。

步骤511：在本机器人钻孔案例中，机器人310接收到控制模块360的可执行代码后，驱动末端执行器311实现运动轨迹315，从而完成钻孔操作。

在本发明上述实施方式及钻孔示教案例中：位姿测量模块370中的双目视觉运动跟踪系统以及相应的测量标识312、341(带红外光源401)可以通过采购双目视觉运动跟踪系统及其配件实现，探测头342可以通过接触式探测头实现，示教工具340可对上述探测头342及测量标识341进行集成，钻孔执行器可通过集成上述测量标识312实现。另一方面：末端执行器运动轨迹生成软件241、机器人运动轨迹生成软件242、工作空间和干涉检测软件243以及机器人指令生成软件244，本领域技术人员均可通过机器人离线编程软件实现，此不赘述。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人示教方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立机器人操作任务类型库，在该任务类型库中定义可供操作人员选择的操作任务类型；

步骤二，操作人员在机器人操作任务类型库中选定类型名称；

步骤三，操作人员测量能够确定末端执行器位姿的工件相关几何特征的实际位姿；

步骤四：根据所述操作人员选定的任务类型以及测量得到的工件相关几何特征的实际位姿，通过求解机器人运动学模型得到末端执行器和机器人各杆件的运动轨迹；

步骤五：将该机器人各杆件的运动轨迹转化成机器人执行代码，并将该代码发送给机器人完成该操作任务。

2.根据权利要求1所述的机器人示教方法，其特征在于：

步骤一中，每个操作任务需要定义以下信息，类型名称、任务所需末端执行器的CAD模型、以及确定末端执行器在任务中的位姿所需的工件相关几何特征；优选地，所述的类型名称由操作人员在示教中指定，任务类型包括机器人钻孔、抓取、焊接、搬运或者其他和工件进行交互的操作；优选地，所述的末端执行器根据任务类型确定，可采用不同的末端执行器完成同一种任务类型并可由操作人员在示教中选定；所述的工件相关几何特征用于确定末端执行器在指定操作任务中的位姿；所述的工件相关几何特征包括但不限于工件上的点、直线、平面、圆柱面、球面；所述工件相关几何特征由操作人员在示教中测量其实际位姿。

3.根据权利要求1所述的机器人示教方法，其特征在于：

步骤二中，操作人员在选定类型名称后，可进一步选择完成该任务的末端执行器；在操作人员选定类型名称后，提示操作人员测量所述的工件相关几何特征。

4.根据权利要求1所述的机器人示教方法，其特征在于：

步骤三中，位姿测量通过示教工具和位姿测量设备实现；所述的位姿测量设备能够测量安装在被测物上的标识在运动时的实际位姿；所述示教工具上装有至少一个能被所述位姿测量设备测量的标识，操作人员移动示教工具时，位姿测量设备通过测量示教工具上的标识的位姿得到所述的工件相关几何特征的实际位姿。

5.根据权利要求1所述的机器人示教方法，其特征在于：

步骤四中，可进一步对所得运动轨迹进行机器人的工作空间检测和干涉检测；优选地，向操作人员显示所得的运动轨迹，并由操作人员进行确认。

6.实现权利要求1所述的机器人示教方法的机器人示教系统，其特征在于：

包括任务类型库、示教工具、位姿测量模块及控制模块；

所述任务类型库用以描述操作中末端执行器的位姿和工件上几何特征的关联，需要在示教前预先建立；

所述位姿测量模块包括至少一种位姿测量设备，用于测量所述的工件相关几何特征的实际位姿；

所述示教工具由操作人员进行操作，用于指定所述的确定末端执行器位姿所需的工件相关几何特征；

所述控制模块能够和机器人、任务类型库、示教工具、以及位姿测量模块进行通讯。

7.根据权利要求6所述的机器人示教系统，其特征在于：

所述任务类型库中的每个任务类型包括以下信息：类型名称、任务所需末端执行器的CAD模型，以及确定末端执行器在任务中的位姿所需的工件相关几何特征；优选地，所述任务类型库在网络服务器上实现，可用于多台机器人的示教。

8.根据权利要求6所述的机器人示教系统，其特征在于：

所述的位姿测量设备能够测量安装在被测物上的标识在运动时的实际位姿；优选地，所述的位姿测量设备可以是基于双目视觉、电磁或其他原理的运动跟踪系统；优选地，采用基于双目视觉的跟踪系统，标识上设置有至少一个红外光源，使其运动可以被跟踪系统识别。

9.根据权利要求6所述的机器人示教系统，其特征在于：

所述示教工具上装有至少一个能被所述位姿测量设备测量的标识，该标识的形状可以是球形、圆柱形或者其他形状；所述示教工具配有用户界面，能够进行信息提示、信息输入等人机交互；优选地，所述示教工具能被操作人员手持并移动；优选地，所述示教工具采用无线通讯进行数据传递，以方便示教工具的人工操作；优选地，示教工具带有探测头，当探测头和工件接触时，示教工具将发送测量实际位姿的触发信号；优选地，将所述的位姿测量设备可安装在地面上并在机器人上也安装至少一个所述的测量标识，从而测量出所述的工件相关几何特征相对于机器人的实际位姿；优选地，所述示教工具的用户界面能够显示出末端执行器和机器人的运动轨迹。

10.根据权利要求6所述的机器人示教系统，其特征在于：

所述控制模块具有末端执行器运动轨迹生成功能，即能够从位姿测量模块获取所述的工件相关几何特征的实际位姿数据，并能够根据该位姿数据计算出末端执行器在执行任务时的运动轨迹；所述控制模块具有机器人运动轨迹生成功能，即能够通过机器人运动学模型，求解出产生上述末端执行器运动轨迹的机器人各杆件的运动轨迹；所述控制模块具有机器人指令生成的功能，即能将上述的机器人运动轨迹转化成机器人可执行的代码，并能将该代码发送给机器人完成该操作任务；所述控制模块具有机器人工作空间检测和干涉检测功能，即能够检测上述机器人运动轨迹是否超出机器人工作空间以及是否发生干涉，如果机器人运动轨迹超出其工作空间或者产生干涉，控制模块能够给出警告信号，提示操作人员示教失败。