CN110125944A - 一种机械臂示教系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂示教系统和方法，所述系统包括：视觉运动捕捉模块、计算机工作站、机械臂和示教装置；所述视觉运动捕捉模块可以实时获取场景内标记点或刚体的空间位置；所述控制软件包括数据处理模块、机械臂控制模块、机械臂标定模块和可视化模块；所述示教装置包括控制开关、无线通信模块和示教标记点；其中，用户通过示教装置对机械臂进行示教，使机械臂末端沿着示教装置运动的路径完成相应的运动。所述系统安装部署方便，示教方法及过程简单快捷，大大提高了示教效率与精度，具有广阔的应用前景。

Description

一种机械臂示教系统和方法

技术领域

本发明主要涉及一种机械臂示教系统和方法，属机器人技术与应用领域。可解决现有技术中对机械臂示教时，示教过程复杂的问题。

背景技术

伴随着工业的快速发展，机械臂广泛的应用于工业制造领域，通过预设式的编程和流水线式的工作模式使机械臂高速准确的重复固定的加工动作及工序，同时人们对工业机械臂的要求也越来越高，不仅要求工业机械臂能长期稳定地完成重复工作，还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性的特点。

目前市场上工业机器人的轨迹规划都是通过示教器来进行，首先通过示教器进行示教变成然后让机器人按示教内容运动，或者先通过示教器引导机器人运动，最后让机器人再现之前的示教内容。但是针对于大尺寸结构或复杂结构的工件而言，采用传统的示教编程方法需要耗费较多时间、效率较低，并且示教过程复杂，对操作人员的技术要求较高，人机交互不是很自然。因此，示教技术正在向着利于快速示教编程和增强人机协作能力的方向发展。采用自然、高效的人机交互方式实现多自由度机械臂的精准控制，是值得深入研究的。

如中国发明专利CN108214495A所公开的一种工业机器人示教系统和方法，该方法使用2个红外激光发射基站进行扫描定位，在手持定位器上设置28个红外光敏传感器来获取手持定位器的空间数据。中国发明专利CN105835073A提出一种工业机器人新型示教装置，其对路径的记录是采用超精密惯性导航元件实现的，包括精密三维加速度传感器和精密陀螺仪。上述发明的缺点在于其设计的示教器结构十分复杂，不利于制作和推广；并且由于机械臂受机械加工误差、装配误差、零部件磨损等因素影响，定位精度会降低，但上述示教过程中没有考虑对机械臂的标定，因而会产生定位误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种机械臂示教系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种机械臂示教系统，该系统包括视觉运动捕捉模块、计算机工作站、示教装置和机械臂，其中：

所述视觉运动捕捉模块包括若干个红外摄像机；其中，每个红外摄像机通过数据交换设备连接到计算机工作站，进一步将所述每个红外摄像机处理所得的数据同步传输到计算机工作站；

示教装置上设有若干个示教标记点；示教装置在示教的过程中，该装置上设有的若干个示教标记点共同构成一个刚体，经由视觉运动捕捉模块进行拍摄并传输到计算机工作站，由计算机工作站进一步处理得到所述刚体的空间坐标，然后根据所述空间坐标得到示教装置末端的空间姿态；

所述机械臂的每个关节上均设有关节标记点；所述机械臂连接到计算机工作站；在示教装置进行示教的过程中，所述计算机工作站根据处理所得的示教装置末端的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，并驱动机械臂末端按照规划好的路径，完成相应的运动；其中，在进行路径规划前，需利用机械臂上设有的多个关节标记点，对机械臂进行标定。

进一步的，所述示教装置还包括控制开关设备和无线通信模块；其中，所述无线通信模块与计算机工作站无线连接；所述开关按钮连接到无线通信模块，用于控制示教装置定义轨迹过程的开始和结束；当通过控制开关开启或关闭示教杆的时候，控制过程中产生的控制信号经由无线通信模块传输至计算机工作站；所述计算机工作站根据接收到的控制信号，进一步控制机械臂运动路径的开始和结束位置。

进一步的，在搭建若干个红外摄像机时，通过T型和L型标定工具，对由若干个红外摄像机构成的摄像机系统的空间坐标系进行标定。

进一步的，所述计算机工作站包括计算机主机，以及运行在计算机主机内的控制软件，通过所述控制软件对计算机主机接收到的所有数据进行处理；

所述控制软件包括用于处理数据的数据处理模块、用于对机械臂进行运动路径规划的机械臂控制模块、用于对机械臂进行标定的机械臂标定模块和用于显示或回放机械臂运动过程的可视化模块。

进一步的，所述计算机工作站还包括与计算机主机相连的显示终端；所述可视化模块用于显示或回放示教过程以及机械臂运动过程，视频由显示终端进行实时显示。

进一步的，在机械臂标定模块中，对机械臂进行运动学参数标定，其中，标定的过程具体为：

首先，用户输入的机械臂各关节杆件尺寸的设计值到计算机主机中，所述机械臂标定模块利用改进的D-H模型的构建方法和用户输入的数据，得到机械臂D-H参数的理想值；当前处理模块中，根据所得的机械臂D-H参数的理想值，对机械臂进行运动学建模，从而通过运动学正向解算过程计算出机械臂末端的理想位姿值；

然后，通过机械臂控制模块控制机械臂末端运动，其中，在机械臂运动的过程中，利用视觉运动捕捉模块识别机械臂上的每个关节标记点，并将其进一步传输到机械臂标定模块；在该模块中，根据接收到的关节标记点数据，计算得到机械臂各个关节点的实际旋转角度值，以及机械臂末端的实际位姿值；利用当前所得的机械臂末端的实际位姿值，与先前得到的机械臂末端的理想位姿值，构建机械臂末端的位姿误差；

最后，利用深度学习优化算法对机械臂末端的位姿误差进行迭代优化，通过不断修正机器臂上各个相邻杆件的D-H参数，使得优化算法收敛；迭代结束后输出最优的D-H参数，根据最优的D-H参数对机械臂的运动规划进行调整，所述D-H参数包括机械臂各个关节点的旋转角度与杆件的长度。

本发明提出的一种机械臂示教方法，包括以下步骤：

S1、搭建视觉运动捕捉模块，并标定摄像机系统的空间坐标系；其中，以机械臂为中心，呈环形布置并搭建若干台红外摄像机，每台摄像机的中心均对准机械臂；

S2、通过机械臂控制软件控制机械臂末端运动，同时利用搭建好的红外摄像机捕捉并传输机械臂上的每个关节标记点的坐标位置到机械臂标定模块中，该模块利用接收到的数据对机械臂进行标定；

S3、标定完成后，示教装置开始进行示教；示教过程中，利用视觉运动捕捉模块获取示教标记点所构成的刚体的空间坐标，并将其传输至数据处理模块，利用该模块计算示教装置末端的空间姿态；

S4、机械臂控制模块根据数据处理模块中，计算得到的示教装置末端的运动轨迹的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，驱动机械臂末端沿着规划好的路径完成相应的运动；其中，在机械臂运动的过程中，与可视化模块连接的显示终端，对机械臂的运动过程进行实时显示。

在本发明所述的一种机械臂示教系统和方法中，用户通过示教装置对机械臂进行示教，使机械臂末端沿着示教杆定义的路径完成相应的运动。所述系统安装部署方便，示教方法及过程简单快捷，大大提高了示教效率与精度，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中机械臂示教系统的结构图；

图2是本发明中机械臂示教方法的流程图；

图3是示教装置的结构图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参考图1，其为本发明中机械臂示教系统的结构图，在本发明提出的一种机械臂示教系统中，该系统包括视觉运动捕捉模块、计算机工作站、示教装置和机械臂，其中：

1、视觉捕捉模块：

所述视觉运动捕捉模块包括6个红外摄像机，且每台摄像机通过云台支架进行固定，每台摄像机离地的距离为2.5米；在对上述6个红外摄像机进行搭建的时候，一方面将摄像机呈环形的布置在场地内，其中，环形的半径为1-3米，每台摄像机的聚焦中心均对准机械臂；另一方面，搭建完成后，需利用T型和L型标定工具标定由6台摄像机构成的摄像机系统的空间坐标系，以保证计算机工作站能够有效并准确的获取标记点或刚体的空间坐标；

所述视觉运动捕捉模块以有线的方式连接到计算机工作站，其中，每台红外摄像机通过线缆连接到数据交换设备的输入端，其输出端连接到计算机工作站，进一步将所述每个红外摄像机处理所得的数据同步传输到计算机工作站；本实施例中，数据获取帧率为120FPS。

2、示教装置：

本实施例中，采用手持示教杆对机械臂的运动路径进行预定义，所述示教杆上设有6个示教标记点、控制开关和无线通信模块；其中：

本实施例中所述示教标记点采用反光球体，使得摄像机能够定位到示教杆；打开控制开关，即可驱动示教杆开始示教工作，而在整个示教的过程中，该装置上设有的6个反光球体共同构成一个刚体，经由摄像系统进行拍摄并传输到计算机工作站，由计算机工作站进一步处理得到所述刚体的空间坐标，然后根据所述空间坐标得到示教杆末端的空间姿态；

所述无线通信模块与计算机工作站的USB接口无线连接；所述控制开关连接到无线通信模块，当通过控制开关开启或关闭示教杆的时候，控制过程中产生的控制信号经由无线通信模块传输至计算机工作站；所述计算机工作站根据接收到的控制信号，控制示教装置定义轨迹过程的开始和结束，进一步确定机械臂运动路径的开始和结束位置。

本实施例中，在示教杆内还设有电源模块，所述电源模块由两节5号电池组成，进一步对示教杆进行供电(整个示教杆的设计图，请参考图3)。

3、计算机工作站

所述计算机工作站包括计算机主机、与计算机主机相连的显示终端，以及运行在计算机主机内的控制软件，通过所述控制软件对计算机主机接收到的所有数据进行处理；

所述控制软件包括用于处理数据的数据处理模块、用于对机械臂进行运动路径规划的机械臂控制模块、用于对机械臂进行标定的机械臂标定模块和用于显示或回放机械臂运动过程的可视化模块；其中，所述可视化模块用于显示或回放示教过程以及机械臂运动过程，视频由显示终端进行实时显示。

4、机械臂

所述机械臂的每个关节上均设有关节标记点；所述机械臂连接到计算机工主机的USB接口；在示教装置进行的示教过程结束后，所述计算机工作站根据处理所得的示教装置末端的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，并驱动机械臂末端按照规划好的路径，完成相应的运动；

作为一个优选的实施例，为了保证机械臂的定位精度，在对机械臂进行路径规划前，需利用机械臂上设有的多个关节标记点，对机械臂进行标定。这一标定过程，具体在机械臂标定模块中对机械臂进行运动学参数标定得以实现，其中，标定的过程具体为：

首先，用户输入的机械臂各关节杆件尺寸的设计值到计算机主机中，所述机械臂标定模块利用改进的D-H模型的构建方法和用户输入的数据，得到机械臂D-H参数的理想值；当前处理模块中，根据所得的机械臂D-H参数的理想值，对机械臂进行运动学建模，从而通过运动学正向解算过程计算出机械臂末端的理想位姿值；

然后，通过机械臂控制模块控制机械臂末端运动，其中，在机械臂运动的过程中，利用视觉运动捕捉模块识别机械臂上的每个关节标记点，并将其进一步传输到机械臂标定模块；在该模块中，根据接收到的关节标记点数据，计算得到机械臂各个关节点的实际旋转角度值，以及机械臂末端的实际位姿值；利用当前所得的机械臂末端的实际位姿值，与先前得到的机械臂末端的理想位姿值，构建机械臂末端的位姿误差；

最后，利用深度学习优化算法对机械臂末端的位姿误差进行迭代优化，通过不断修正机器臂上各个相邻杆件的D-H参数，使得优化算法收敛；迭代结束后输出最优的D-H参数，根据最优的D-H参数对机械臂的运动规划进行调整，所述D-H参数包括机械臂各个关节点的旋转角度与杆件的长度。

请参考图2，其为本发明中机械臂示教方法的流程图，本发明提出的一种机械臂示教方法，利用了上述示教系统对机械臂的运动路径进行了规划，具体包括以下步骤：

S1、环境搭建：搭建视觉运动捕捉模块，并标定摄像机系统的空间坐标系；其中，以机械臂为中心，呈环形布置并搭建若干台红外摄像机，每台摄像机的中心均对准机械臂；

S2、机械臂标定：通过机械臂控制软件控制机械臂末端运动，同时利用搭建好的红外摄像机捕捉并传输机械臂上的每个关节标记点的坐标位置到机械臂标定模块中，该模块利用接收到的数据对机械臂进行标定；

S3、开始示教杆示教：标定完成后，由用户打开示教杆上的控制开关，示教杆开始设定路径；其中，在路径设定的过程中，利用视觉运动捕捉模块获取示教标记点所构成的刚体的空间坐标，并将其传输至数据处理模块，利用该模块计算示教装置末端的空间姿态；

S4、机械臂路径规划：机械臂控制模块根据数据处理模块中，计算得到的示教装置末端的运动轨迹的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，驱动机械臂末端沿着规划好的路径完成相应的运动；其中，在机械臂运动的过程中，与可视化模块连接的显示终端，对机械臂的运动过程进行可视化显示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种机械臂示教系统，其特征在于，该系统包括视觉运动捕捉模块、计算机工作站、示教装置和机械臂，其中：

所述视觉运动捕捉模块包括若干个红外摄像机；其中，每个红外摄像机通过数据交换设备连接到计算机工作站，进一步将所述每个红外摄像机处理所得的数据同步传输到计算机工作站；

示教装置上设有若干个示教标记点；示教装置在示教的过程中，该装置上设有的若干个示教标记点共同构成一个刚体，经由视觉运动捕捉模块进行拍摄并传输到计算机工作站，由计算机工作站进一步处理得到所述刚体的空间坐标，然后根据所述空间坐标得到示教装置末端的空间姿态；

所述机械臂的每个关节上均设有关节标记点；所述机械臂连接到计算机工作站；在示教装置进行示教的过程中，所述计算机工作站根据处理所得的示教装置末端的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，并驱动机械臂末端按照规划好的路径，完成相应的运动；其中，在进行路径规划前，需利用机械臂上设有的多个关节标记点，对机械臂进行标定。

2.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，所述示教装置还包括控制开关设备和无线通信模块；其中，所述无线通信模块与计算机工作站无线连接；所述开关按钮连接到无线通信模块，用于控制示教装置定义轨迹过程的开始和结束；当通过控制开关开启或关闭示教杆的时候，控制过程中产生的控制信号经由无线通信模块传输至计算机工作站；所述计算机工作站根据接收到的控制信号，进一步控制机械臂运动路径的开始和结束位置。

3.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，在搭建若干个红外摄像机时，通过T型和L型标定工具，对由若干个红外摄像机构成的摄像机系统的空间坐标系进行标定。

4.根据权利要求1所述的机械臂示教系统，其特征在于，所述计算机工作站包括计算机主机，以及运行在计算机主机内的控制软件，通过所述控制软件对计算机主机接收到的所有数据进行处理；

所述控制软件包括用于处理数据的数据处理模块、用于对机械臂进行运动路径规划的机械臂控制模块、用于对机械臂进行标定的机械臂标定模块和用于显示或回放机械臂运动过程的可视化模块。

5.根据权利要求4所述的机械臂示教系统，其特征在于，所述计算机工作站还包括与计算机主机相连的显示终端；所述可视化模块用于显示或回放示教过程以及机械臂运动过程，视频由显示终端进行实时显示。

6.根据权利要求4所述的机械臂示教系统，其特征在于，在机械臂标定模块中，对机械臂进行运动学参数标定，其中，标定的过程具体为：

首先，用户输入的机械臂各关节杆件尺寸的设计值到计算机主机中，所述机械臂标定模块利用改进的D-H模型的构建方法和用户输入的数据，得到机械臂D-H参数的理想值；当前处理模块中，根据所得的机械臂D-H参数的理想值，对机械臂进行运动学建模，从而通过运动学正向解算过程计算出机械臂末端的理想位姿值；

然后，通过机械臂控制模块控制机械臂末端运动，其中，在机械臂运动的过程中，利用视觉运动捕捉模块识别机械臂上的每个关节标记点，并将其进一步传输到机械臂标定模块；在该模块中，根据接收到的关节标记点数据，计算得到机械臂各个关节点的实际旋转角度值，以及机械臂末端的实际位姿值；利用当前所得的机械臂末端的实际位姿值，与先前得到的机械臂末端的理想位姿值，构建机械臂末端的位姿误差；

最后，利用深度学习优化算法对机械臂末端的位姿误差进行迭代优化，通过不断修正机器臂上各个相邻杆件的D-H参数，使得优化算法收敛；迭代结束后输出最优的D-H参数，根据最优的D-H参数对机械臂的运动规划进行调整，所述D-H参数包括机械臂各个关节点的旋转角度与杆件的长度。

7.一种机械臂示教方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建视觉运动捕捉模块，并标定摄像机系统的空间坐标系；其中，以机械臂为中心，呈环形布置并搭建若干台红外摄像机，每台摄像机的中心均对准机械臂；

S2、通过机械臂控制软件控制机械臂末端运动，同时利用搭建好的红外摄像机捕捉并传输机械臂上的每个关节标记点的坐标位置到机械臂标定模块中，该模块利用接收到的数据对机械臂进行标定；

S3、标定完成后，示教装置开始进行示教；示教过程中，利用视觉运动捕捉模块获取示教标记点所构成的刚体的空间坐标，并将其传输至数据处理模块，利用该模块计算示教装置末端的空间姿态；

S4、机械臂控制模块根据数据处理模块中，计算得到的示教装置末端的运动轨迹的空间姿态数据，对机械臂进行运动路径规划，驱动机械臂末端沿着规划好的路径完成相应的运动；其中，在机械臂运动的过程中，与可视化模块连接的显示终端，对机械臂的运动过程进行实时显示。