CN109531559B - 机械臂控制方法及机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂控制方法及机械臂，包括通过检测模块自动检测机械臂本体的位姿信息，控制模块根据所述位姿信息调整机械臂本体的位姿以适应其安装状态。并且，还通过设置机械臂本体的安全工作区域，确保机械臂本体能够实现安全操作。

Description

机械臂控制方法及机械臂

技术领域

本发明涉及自动化设备技术领域，尤其涉及一种机械臂控制方法及机械臂。

背景技术

机械臂是一种在工业生产中代替人工完成某些单调、频繁和重复的长时间作业的自动化装置，按照设定的程序、轨迹和要求执行监控、抓取、搬运工作或操持工具进行操作。

机械臂的安装状态一般情況下默认为地面，因此其安全运动范围的设置一般来说是基于地面安装进行设置的，然而，发明人在实现本发明的过程中发现现有技术至少存在以下技术问题：当使用者根据实际使用场景改变机械臂的安装状态时，会使得其默认的安全工作范围不能满足实际需求，从而导致碰撞等事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂控制方法及机械臂，能够自动检测安装方式和位置，设置最佳工作范围，以确保其操作性能和操作安全。

为了达到上述目的，本发明提供了一种机械臂控制方法，包括：

检测模块检测机械臂本体当前的位姿信息并传送给控制模块；

所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿，以使所述机械臂本体适应当前的安装状态。

可选的，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿的步骤包括：

所述控制模块根据所述位姿信息判断所述机械臂本体的安装状态；

所述控制模块根据所述机械臂本体的安装状态模拟出所述机械臂本体的修正位姿；

当所述控制模块获取一确定信号后，将所述机械臂本体调整为所述修正位姿。

可选的，所述安装状态包括所述机械臂本体安装于地面、房顶或垂直墙壁中的任一种。

可选的，所述控制模块根据所述机械臂本体的安装状态模拟出所述机械臂本体的修正位姿的步骤还包括，向用户展示默认的工作范围和模拟出的修正位姿，并接收用户输入的是否选择调整的信号。

可选的，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿之后，所述机械臂控制方法还包括：

所述检测模块检测机械臂本体工作范围内的障碍物并设置所述机械臂本体的安全工作区域：

所述控制模块控制所述机械臂本体在所述安全工作区域内工作。

可选的，所述工作范围是所述机械臂本体的有效臂展范围。

可选的，所述检测模块检测机械臂本体工作范围内的障碍物的步骤包括，如检测到存在障碍物，则由控制模块判断是否需要清除所述障碍物。

可选的，由所述控制模块判断出需要清除所述障碍物时，所述控制模块控制所述机械臂本体停机并清除所述障碍物；反之，所述控制模块记录所述障碍物的位置以设置安全工作区域。

本发明还提供了一种机械臂，包括控制模块、检测模块及机械臂本体；

所述检测模块用于检测所述机械臂本体当前的位姿信息，并发送所述位姿信息至所述控制模块；

所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿，以使所述机械臂本体适应当前的安装状态。

可选的，所述检测模块还用于检测所述机械臂本体工作范围内的障碍物以设置所述机械臂本体的安全工作区域，所述控制模块控制所述机械臂本体在所述安全工作区域内工作。

可选的，所述机械臂本体包括基座及设置于所述基座上的若干连接臂，相邻所述连接臂之间滑动连接或枢接，所述控制模块控制若干所述连接臂之间相对移动或转动以改变所述机械臂本体的位姿。

本发明通过检测模块自动检测机械臂本体的位姿信息，控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿以适应其安装状态。

进一步，还通过设置机械臂本体的安全工作区域，确保所述机械臂本体能够实现安全操作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机械臂组成框图；

图2为本发明实施例提供的机械臂控制方法流程示意图；

图3a为本发明实施例提供的特殊构型机械臂安装于房顶的示意图；

图3b本发明实施例提供的特殊构型机械臂安装于房顶经调整后的示意图；

图4为本发明实施例提供的第一机械臂安装于地面的示意图；

图5a为本发明实施例提供的第一机械臂安装于房顶的示意图；

图5b为本发明实施例提供的第一机械臂安装于房顶经调整后的示意图；

图6a为本发明实施例提供的第二机械臂安装于墙壁的示意图；

图6b为本发明实施例提供的第二机械臂安装于墙壁经调整后的示意图；

图7为本发明实施例提供的标准六轴机械臂安装于墙壁的示意图；

图中：

10-控制模块；20-检测模块；21-位置传感元件；22-距离传感元件；30-机械臂本体；31-基座；32-连接臂；101-工作区域A；102-工作区域B；

31a-基座；32a-连接臂；321a-第一连接臂；322a-第二连接臂；323a-第三连接臂；324a-第四连接臂；325a-第五连接臂；41a-第一旋转部；42a-第二旋转部；

31b-基座；32b-连接臂；321b-第一连接臂；322b-第二连接臂；323b-第三连接臂；324b-第四连接臂；325b-第五连接臂；41b-第一旋转部；

31c-基座；32c-连接臂；321c-第一连接臂；322c-第二连接臂；323c-第三连接臂；324c-第四连接臂；325c-第五连接臂；326c-第六连接臂。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供了一种机械臂，包括控制模块10、检测模块20及机械臂本体30，所述检测模块20用于检测所述机械臂本体30当前的位姿信息，所述控制模块10根据所述位姿信息调整所述机械臂本体30的位姿，以使所述机械臂本体30适应当前的安装状态。

进一步的，所述检测模块20还用于检测所述机械臂本体30工作范围内的障碍物以设置所述机械臂本体30的安全工作区域，所述控制模块10控制所述机械臂本体30在所述安全工作区域内工作。

进一步的，所述机械臂本体30包括基座31及设置于所述基座31上的若干连接臂32，相邻所述连接臂32之间滑动连接或枢接，所述控制模块10控制若干所述连接臂32之间相对移动或转动以改变所述机械臂本体30的位姿。

具体的，若干所述连接臂32依次连接，且相邻所述连接臂32之间滑动连接或枢接，所述检测模块20包括位置传感元件21和距离传感元件22，所述位置传感元件21采集所述机械臂本体30所处安装状态的位姿信息，这里所述位姿信息指的是机械臂本体30的安装基准面是基于地面、墙壁或房顶，只需判断安装基准面即可。所述距离传感元件22采集所述机械臂本体30所处工作环境的距离信息，所述控制模块10用于读取所述位置传感元件21的位姿信息及所述距离传感元件22的距离信息，并根据所述位姿信息及距离信息控制所述机械臂本体30的运动范围。

进一步的，所述检测模块20中的位置传感元件21包括重力传感器、角速度传感器及加速度传感器中的一种或多种。

具体的，所述位置传感元件21主要用于检测所述机械臂本体30当前的位姿信息，通过不同方式判断所述机械臂本体30的安装状态，如机械臂本体30安装于地面、房顶或垂直墙壁上。位置传感元件21启动后，向所述控制模块10提供当前机械臂本体30的位姿信息，使控制模块10能够根据所述位姿信息，判断当前的安装状态，从而进行后续的参数配置。所述位置传感元件21对精度要求不高，包括但不限于重力传感器、角速度传感器及加速度传感器等。

进一步的，所述检测模块20中的距离传感元件22包括激光雷达、摄像头及毫米波雷达中的一种或多种。

具体的，所述距离传感元件22用于扫描周围工作环境状态，并识别当前安全工作范围，可以通过不同方式识别当前安装状态下，所述机械臂本体30距离墙壁、障碍物和地面等物体的距离。所述距离传感元件22启动后，扫描四周环境状态，并将距离信息传输到控制模块10，以便进行机械臂本体30工作范围的配置，确保使用者的安全。其中，配置方式包括两种：一种是对机械臂本体每个关节的转动范围进行设置，例如安装于地面时，某连接臂的关节可以旋转±180°，而安装于墙壁时，所述连接臂的关节仅能旋转±120°，此时即可将所述连接臂的关节的转动范围进行修改；另一种是设定所述机械臂本体工作范围内的某个区域或某几个区域为“碰撞区”，运行时必须绕过所述“碰撞区”。机械臂本体运行前将运动路径和设定的“碰撞区”坐标进行对比，当发现有进入“碰撞区”的路径或动作时，则调整路径，直到完全绕开“碰撞区”为止。

所述距离传感元件22的精度越高，越有助于提高避障的精确性，所述距离传感元件22包括但不限于激光雷达、摄像头及毫米波雷达，其比较情况如下：探测距离和夜景模式方面，激光雷达和毫米波雷达优于摄像头；细节分辨方面，摄像头>激光雷达>毫米波雷达；行人检测方面，激光雷达>摄像头>毫米波雷达；准确性方面，激光雷达优于毫米波雷达和摄像头。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别。目前激光雷达广泛应用于移动机器人及自动驾驶车辆中，可以看出激光雷达在探测距离和准确性方面具有很大优势，激光雷达探测距离精度可以达到cm级别，探测角度精度可以达到小数点后两位级别，完全可以满足机械臂规避碰撞及障碍功能的要求。激光雷达水平扫描范围可以通过设置达到应用需求，垂直扫描范围一般可以达到-15°～15°。

本发明还提供了一种如上所述的机械臂控制方法，如图2所示，包括：

S1：检测模块检测机械臂本体当前的位姿信息并传送给控制模块；

S2：所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿，以使所述机械臂本体适应当前的安装状态。

进一步的，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿的步骤包括：

所述控制模块根据所述位姿信息判断所述机械臂本体的安装状态；

所述控制模块根据所述机械臂本体的安装状态模拟出所述机械臂本体的修正位姿；

当所述控制模块获取一确定信号后，将所述机械臂本体调整为所述修正位姿。

具体的，所述控制模块10读取检测模块20中的位置传感元件21所采集的位姿信息，并判断当前机械臂本体30的安装状态，所述当前机械臂本体30的安装状态，包括机械臂本体30安装于地面、房顶或垂直墙壁中的任一种。

所述控制模块10根据当前机械臂本体30的安装状态及默认的需求工作范围，模拟出所述机械臂本体30的修正位姿，以推荐给用户，从而达到优化机械臂本体30的机械结构，使其更适用于当前的安装状态的目的。

进一步的，所述控制模块10根据所述机械臂本体30的安装状态模拟出所述机械臂本体30的修正位姿的步骤还包括，向用户展示默认的工作范围和模拟出的修正位姿，并接收用户输入的是否选择调整的信号。

具体的，所述控制模块10获取的确定信号，可以由用户选择是否调整机构姿态的设置；如选择调整，则控制模块10以推荐的机构姿态设置参数，将所述机械臂本体30调整为所述修正位姿；反之，则控制模块10以当前的机构姿态设置参数。其中，所述参数包括运动学方面的参数，如坐标系的设定、每个连接臂的关节限位、关节旋转方向(偏转角度)等，另外还包括动力学方面的参数，如机械臂本体的质量及重心分布、电机控制的参数等。所述控制模块10将根据所述安装状态进行参数配置和限速保护(如最大速度、最大加速度等)。参阅图3a，当机械臂本体30的安装状态为安装于房顶上时，那么控制模块10内软件的默认工作区域A101是在机械臂本体30正下方的框线内，因此，控制模块10会根据默认的工作区域A101建议用户修改合适的机构姿态，推荐的机构姿态如图3b所示，此时软件中模拟和展示出默认的工作范围和推荐的手臂机构姿态给用户，若实际需工作范围为工作区域A101，用户可以选择调整以适应当前的安装状态；若实际需工作范围为工作区域B102，即靠近房顶，用户则可以选择不调整，使机械臂本体30保持当前的位姿。

进一步的，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿之后，所述机械臂控制方法还包括：

所述检测模块检测机械臂本体工作范围内的障碍物并设置所述机械臂本体的安全工作区域；

所述控制模块控制所述机械臂本体在所述安全工作区域内工作。

进一步的，所述检测模块20检测机械臂本体30工作范围内的障碍物的步骤包括，如检测到存在障碍物，则由控制模块10判断是否需要清除所述障碍物。由所述控制模块10判断出需要清除所述障碍物时，所述控制模块10控制所述机械臂本体30停机并清除所述障碍物；反之，所述控制模块10记录所述障碍物的位置以设置安全工作区域。

具体的，所述检测模块20中的距离传感元件22进行工作范围扫描，以检测工作范围内是否存在障碍物，工作范围即机械臂本体的有效臂展范围，如存在障碍物，则由控制模块10判断是否需要手动清除，如需要手动清除，则控制模块10控制所述机械臂本体30停机，由人工清除障碍物；反之，所述控制模块10记录所述障碍物的位置，即“碰撞区”，以设置安全工作区域，在机械臂本体30实际操作中规避障碍物。

进而，所述控制模块10自动设置安全工作区域之后，机械臂本体30开始作业。

图4为第一机械臂安装于地面的示意图，图中机械臂本体的基座31a上设置有检测模块20(包括位置传感元件21及距离传感元件22)，本实施例中若干连接臂32a分别为第一连接臂321a、第二连接臂322a、第三连接臂323a、第四连接臂324a及第五连接臂325a，其中，第一连接臂321a设置于基座31a上，并能相对于所述基座31a绕其轴线方向作水平转动，第二连接臂322a相对于所述第一连接臂321a作垂直往复移动，第三连接臂323a与第二连接臂322a的连接处可以相对水平转动，第四连接臂324a与第三连接臂323a的连接处可以相对水平转动，第五连接臂325a与第四连接臂324a的连接处相对扭转。第二连接臂322a上设置有可旋转的第一旋转部41a，第四连接臂324a上设置有可旋转的第二旋转部42a，可以满足不同场景的使用需要。可以根据实际需求，由控制模块控制旋转所述第一旋转部41a或第二旋转部42a，改变所述机械臂的多个连接臂32a的位姿状态。

图5a为第一机械臂安装于房顶的示意图，控制模块10读取位置传感元件21采集的位姿信息，并判断当前机械臂本体30的安装状态；所述控制模块10根据当前机械臂本体30的安装状态(此实施例中为安装于房顶)及默认的需求工作范围，模拟出所述机械臂本体30的修正位姿，推荐给用户；若用户选择调整机构姿态的设置，控制模块10将所述机械臂本体30调整为所述修正位姿，本实施例中，控制第一旋转部41a旋转180°，以优化机械臂本体30的整体姿态，使其适应当前的安装状态，如图5b所示；之后，检测模块20中的距离传感元件22检测机械臂本体30工作范围内是否有障碍物，并由控制模块10判断是否需要清除；所述控制模块10自动设置安全工作区域，控制所述机械臂本体30在所述安全工作区域内工作。本实施例中，需求工作范围为机械臂本体30远离墙壁的一端，所述第一旋转部41a旋转180°，使第三连接臂323a及第四连接臂324a的姿态由原先的靠近房顶变换为远离房顶，更有利于实现机械臂的可操作性最优化，并避免触碰房顶，保证其操作安全的最佳工作范围；如若实际需求工作范围为靠近所述墙壁的一端，则无需调整机构姿态的设置。

图6a为第二机械臂安装于墙壁的示意图，本例中选用的是900行程带滑轨的码垛机械臂，机械臂本体的基座31b安装于墙壁上，基座31b上设置有依次连接的若干连接臂32b，第一连接臂321b相对于所述基座31b往复移动，第二连接臂322b相对于第一连接臂321b作俯仰转动，第三连接臂323b相对于第二连接臂322b作俯仰转动，第四连接臂324b的轴线方向垂直于水平面并相对于第三连接臂323b作水平转动，第三连接臂323b上设置有第一旋转部41b。具体实施时，所述控制模块10读取位置传感元件21采集的位姿信息，并判断当前机械臂本体30的安装状态；所述控制模块10根据当前机械臂本体30的安装状态(此实施例中为安装于垂直墙壁)，模拟出所述机械臂本体30的修正位姿，适应当前的安装状态；若用户选择调整机构姿态的设置，控制模块10将所述机械臂本体30调整为所述修正位姿，本实施例中，控制第一旋转部41b旋转90°，以优化机械臂本体30的整体姿态，如图6b所示；之后，距离传感元件22进行工作范围扫描，并由控制模块10自动设置安全工作区域。本实施例中，第一旋转部41b旋转90°，使第三连接臂323b与第四连接臂324b共同旋转90°，从而使第四连接臂324b的轴线方向由垂直于水平面变换为平行于水平面，更能够满足当前工况需求。

参阅图7，其为标准六轴机械臂安装于墙壁的示意图，机械臂的基座31c与墙壁安装固定，基座31c上设置有若干依次连接的连接臂32c，分别为第一连接臂321c、第二连接臂322c、第三连接臂323c、第四连接臂324c、第五连接臂325c及第六连接臂326c。具体实施时，机械臂本体30初始化启动后，控制模块10读取位置传感元件21采集的位姿信息，并判断当前机械臂本体30的安装状态，此实施例中为安装于墙壁；根据所述安装状态进行参数配置和限速保护，设定预设值，控制各连接臂32c的姿态；控制模块10控制距离传感元件22进行工作范围扫描，并读取所述距离传感元件22采集的距离信息，识别机械臂本体30到地面及障碍物的距离，并自动设置安全工作区域以实现避障；之后，机械臂本体30开始作业，确保其在安全工作区域内操作。

本发明针对传统六轴机械臂能保证其安全和性能不被破坏，而针对非标准规格的机械臂，除了保证其安全和性能不被破坏外，还能进一步拓展其功能，极大的满足不同场景的使用需要。

综上，在本发明实施例提供的机械臂控制方法及机械臂中，通过检测模块自动检测机械臂本体的位姿信息，控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿以适应其安装状态；进一步，还通过设置机械臂本体的安全工作区域，确保所述机械臂本体能够实现安全操作。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂控制方法，其特征在于，包括：

检测模块检测机械臂本体当前的位姿信息并传送给控制模块；

所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿，以使所述机械臂本体适应当前的安装基准面；

其中，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿的步骤包括：

所述控制模块根据所述位姿信息判断所述机械臂本体的安装基准面；

所述控制模块根据所述机械臂本体的安装基准面模拟出所述机械臂本体的修正位姿；

当所述控制模块获取一确定信号后，将所述机械臂本体调整为所述修正位姿。

2.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述安装基准面包括所述机械臂本体安装于地面、房顶或垂直墙壁中的任一种。

3.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述控制模块根据所述机械臂本体的安装基准面模拟出所述机械臂本体的修正位姿的步骤还包括，向用户展示默认的工作范围和模拟出的修正位姿，并接收用户输入的是否选择调整的信号。

4.如权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿之后，所述机械臂控制方法还包括：

所述检测模块检测机械臂本体工作范围内的障碍物并设置所述机械臂本体的安全工作区域：

所述控制模块控制所述机械臂本体在所述安全工作区域内工作。

5.如权利要求4所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述工作范围是所述机械臂本体的有效臂展范围。

6.如权利要求4所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述检测模块检测机械臂本体工作范围内的障碍物的步骤包括，如检测到存在障碍物，则由控制模块判断是否需要清除所述障碍物。

7.如权利要求6所述的机械臂控制方法，其特征在于，由所述控制模块判断出需要清除所述障碍物时，所述控制模块控制所述机械臂本体停机并清除所述障碍物；反之，所述控制模块记录所述障碍物的位置以设置安全工作区域。

8.一种机械臂，其特征在于，包括控制模块、检测模块及机械臂本体；

所述检测模块用于检测所述机械臂本体当前的位姿信息，并发送所述位姿信息至所述控制模块；

所述控制模块根据所述位姿信息调整所述机械臂本体的位姿，以使所述机械臂本体适应当前的安装基准面；

其中，所述控制模块根据所述位姿信息判断所述机械臂本体的安装基准面；

所述控制模块根据所述机械臂本体的安装基准面模拟出所述机械臂本体的修正位姿；

当所述控制模块获取一确定信号后，将所述机械臂本体调整为所述修正位姿。

9.如权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述检测模块还用于检测所述机械臂本体工作范围内的障碍物以设置所述机械臂本体的安全工作区域，所述控制模块控制所述机械臂本体在所述安全工作区域内工作。

10.如权利要求8或9中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂本体包括基座及设置于所述基座上的若干连接臂，相邻所述连接臂之间滑动连接或枢接，所述控制模块控制若干所述连接臂之间相对移动或转动以改变所述机械臂本体的位姿。

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