CN110181490A - 多轴同步操作器及其控制系统 - Google Patents

Abstract

多轴同步操作器及其操作系统，所述的多轴同步操作器包括操作器本体，所述操作器本体包括底座、设于底座上并与多轴机器人各关节相对应的轴体以及用于操控各轴体转动的手柄；各轴体处均设有角度传感器；操作器本体上设有过渡点按键和目标点按键；所述角度传感器、过渡点按键和目标点按键通过操作器本体内的微处理器与多轴机器人的控制系统进行信息传输。本发明还包括多轴同步操作器的操作系统。本发明一方面可使得人手动操作动作与机器人运行动作同步协调，有效实现操作的流畅与精准；另一方面，计算量小，无滞后。

Description

多轴同步操作器及其控制系统

技术领域

本发明涉及多轴机器人控制技术领域，特别是多轴同步操作器及其操作系统。

背景技术

多轴机器人是工业自动化领域的典型制造设备，多轴机器人通常为四至六轴机器人，能够执行搬运、码垛、焊接、喷涂、装配等工作任务。多轴机器人通常包括“手臂”和“腕”关节，在手臂和腕关节处设置多个可转动的轴，且各轴处通过电机控制其转动，从而形成多轴机器人。

现有的多轴机器人的输入运行轨迹操作方式，主要存在以下缺陷：（1）通常通过编写运行程序来设定需要的运行轨迹，这种方式对操作人员的专业技能要求较高，效率不高，普及较困难。（2）可通过人手直接掰动机器手臂（通常是在协作型机器人上），来使多轴机器人到达目标位置执行任务，确定运行轨迹；但由于多轴机器人自身重量大，需要比较大的力量才能掰动，导致要掰到准确的位置较困难，工作效率低。（3）利用绑在手臂上的姿态传感器来控制机器人，该技术难度大，精度低，可靠性差，还有较大的滞后性。（4）通过摄像头扫描人体姿态变化来控制机器人的技术，该技术技术难度大，成本高，精度低，有较大的滞后性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种操作简单，省时省力，操作精准度高，无滞后性的多轴同步操作器及其操作系统。

本发明的技术方案是：

本发明之多轴同步操作器，包括操作器本体，所述操作器本体包括底座、设于底座上并与多轴机器人各关节相对应的轴体以及用于操控各轴体转动的手柄；各轴体处均设有角度传感器；操作器本体上设有过渡点按键和目标点按键；所述角度传感器、过渡点按键和目标点按键通过操作器本体内的微处理器与多轴机器人的控制系统进行信息传输。

进一步，所述操作器本体包括至少四个轴体，各轴体之间转动连接，使得各轴体的力学结构等同于多轴机器人。

进一步，当所述操作器本体包括N个轴体时，第一轴与底座之间转动连接，第一轴~第N轴依次通过连接体转动连接，将第N-1轴与第N轴之间的连接体或者将第N轴上的连接体作为手柄使用；其中N=4~6。

进一步，所述多轴同步操作器各轴体的转动角度与多轴机器人各关节的转动角度呈线性比例。

进一步，所述角度传感器直接与轴连接或通过齿轮组件与轴连接，用于检测轴转动的角度，并通过微处理器向多轴机器人的控制系统发送运行脉冲和方向信息。

进一步，所述操作器本体上还设有电源开关、暂停键以及速度控制档；所述过渡点按键和目标点按键设于手柄上。

本发明之多轴同步操作器的操作系统，包括：

角度传感器，数量与操作器本体的轴数量相同，并设于操作器本体的各轴处，用于获人手在操作手柄时各关节的变化量；

过渡点按键和目标点按键，用于在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点；

微处理器，用于将接收到的角度传感器信号、过渡点位置和目标点位置信息经微处理器处理，转换成一定模式的运行脉冲、方向、过渡点位置和目标点位置信息，发送给多轴机器人控制系统的主控制器，并通过主控制器桥接同步发送给伺服驱动器，或者单独发送给伺服驱动器。

进一步，还包括：

速度控制器，用于调节速度的倍率，将速度倍率信息发送给微处理器，将在操作器本体各轴上操作的速度所换算成的频率，乘以倍率向多轴机器人控制系统的主控制器发送并通过主控制器桥接，同步发送给伺服驱动器；乘以倍率后的频率对应的速度即为多轴机器人运动的速度；

暂停键，用于控制操作器本体开始或暂停发送脉冲。

进一步，所述伺服驱动器的数量与多轴机器人上的伺服电机的数量相对应，伺服电机的数量与多轴机器人的关节数量相对应；伺服驱动器用于将接收到的操作器本体发送的控制信息，来控制多轴机器人的各轴伺服电机进行动作或停止动作，以及用于将接收到的主控制器发送的优化后的运行轨迹数据，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行用于控制多轴机器人的各关节动作。

进一步，所述多轴机器人控制系统还包括视频监控装置，用于实时监控机器人的姿态，并将采集到的视频信号，通过网络同步传送到操作远端，同时在操作远端将操作器本体的信息，通过网络传输到主控制器。

本发明的有益效果：

（1）通常设置多轴同步操作器来确定机器人的准确目标点位置和模糊运行轨迹，操作人员只需用手操作手柄即可，省时省力；

（2）符合人的操作习惯：通过设置多轴同步操作器，使得人的操作姿态与实际的机器人运行姿态同步，再通过人的视觉反馈，可形成同步协调的闭环反馈，这样不仅可使操作速度提升，还可使操作设置的目标点精准达到很高的水平；

（3）手动操作控制手柄将控制信息同时发送给控制器和伺服驱动器，控制器对控制信息进行存储，不进行预处理，大大减小系统的滞后性，且无需考虑整个过程中的平稳性；

（4）在多轴同步操作器上设置过渡点按键和目标点按键，能够实现在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点，并采集多轴同步操作器的运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息；根据该控制信息获取过渡点和目标点的坐标信息；根据过渡点和目标点的坐标信息，确定多轴机器人的运行轨迹，这种控制方式使得本发明只对目标点和过渡点的坐标负责，过程中是否平稳无需考虑，不仅大大简化计算量，还能确保操作的实时性；

（5）通过在多轴同步操作器的各轴处设置角度传感器，一方面，本发明的每轴都是独立的，分别设置独立的角度传感器，不需通过分解计算出机器人的运行轨迹；另一方面，角度传感器提供的模拟信号经微控制器转换成脉冲信息和方向信息，便于快速获取过渡点和目标点的坐标信息，只对过渡点和目标点的平稳性负责，其他点无需考虑平稳性，计算大大简化；

（6）通过设置多轴同步操作器，在多轴同步操作器设置多个独立的角度传感器，并在多轴同步操作器上设置过渡点按键和目标点按键，能够实现无编程操作，一方面，无需专业的培训就会使用：在所有机器人的操作难度上讲，本机器人操作是最简单的，通常短期培训机器人操作一般需要3个月，而本机器人操作培训只需1小时；另一方面，无论改变还是新增机器人运行程序，都用时最短：例如以一个熟练的机器人操作员，编2小时运行程序的工作，用本系统，由于不用编程，普通员工5分钟就做完；再者，由于简单，不用编程，而且直观，本系统可在一定程度上改变当前的用工方式（包括制造业和服务业），在一些岗位上，引进本系统机器人的当天就能上岗位工作；

（7）通过视频监控装置实时监控多轴机器人的姿态，并将采集到的视频信号，通过网络同步传送到操作远端，同时在操作远端将手动操作控制手柄的信号，通过网络传输到控制器，实现远程可视化同步操作，这样可减少现场工作人员，改善工作环境。在现场要求为超净环境和无菌环境时，无现场人员的介入可大幅度降低交叉污染的概率；在现场有安全风险的场合，不在现场操作可保障人身安全；在需要超精密操作的情况下，机器人携带摄像头不仅可抵近操作对象，还可变焦，这样产生的图像的分辨率可远高于人肉眼的分辨率，从而实现超精密的操作。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中的六轴机器人的结构示意图；

图2是与图1所示六轴机器人相对应的六轴同步操作器的结构示意图；

图3是本发明六轴同步操作器与六轴机器人的操作系统示意图；

图4是本发明另一具体实施方式中的六轴机器人的结构示意图；

图5是与图4所示六轴机器人相对应的六轴同步操作器的结构示意图；

图6是图5所示实施例的拆分结构示意图；

图7是本发明实施例四轴同步操作器的结构示意图。

附图标识说明：

1（1’）.六轴同步操作器；2（2’）.六轴机器人；3.四轴同步操作器；

11（31）.第一轴；12（32）.第二轴；13（33）.第三轴；14（14’/34）.第四轴；15（15’）.第五轴；16.第六轴；17（30）.底座；18.目标点按键；19.过渡点按键；21（21’）.关节；

111（311）.第一连接体；112（312）.第二连接体；113（113’/313）.第三连接体；114（114’/314）.第四连接体；115（115’）.第五连接体；171.速度控制器；172.电源开关；173.暂停键。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的多轴同步操作器，包括操作器本体，所述操作器本体包括底座、设于底座上并与多轴机器人各关节相对应的轴体以及用于操控各轴体转动的手柄；各轴体处均设有角度传感器；操作器本体上设有过渡点按键和目标点按键；所述角度传感器、过渡点按键和目标点按键通过操作器本体内的微处理器与多轴机器人的控制系统进行信息传输。

其中，所述的目标点是指：多轴机器人运行到此需要停止，在此处完成一些工作的位置。所述的过渡点是指：在运行轨迹中需要经过的位置，到此位置时不需要停止。

当需要操作器本体操作时，将操作器本体与多轴机器人的控制系统连接。多轴同步操作器的机械力学结构与所操作的多轴机器人类似，可使得人手动操作动作与机器人运行动作同步协调，本实施例所述的多轴优选为六轴以下，更优选的为4~6轴。

如图1~图3所示：以下为本实施例采用六轴同步操作器来控制六轴机器人的一个优选实施方式：

六轴机器人2在所设计的六个关节21位置处均通过伺服电机控制其动作，即包括六路伺服电机；与六路伺服电机连接的是六路伺服驱动器。机器人控制系统的主控制器的输出端分别与六路伺服驱动器连接。每个伺服电机上均设有编码器，用来反馈伺服电机旋转的角度（位置），编码信号发送给伺服驱动器，形成实时闭环，同时编码信号发送给主控制器，再由主控制器按一定的需要进行处理，再将控制信号发送给伺服驱动器来控制伺服电机状态或位置，形成双闭环，以达到精确控制伺服电机旋转的位置 、速度。六轴同步操作器上设有六路独立的角度传感器，来检测操作器本体上的六轴角度变化，且六路独立的角度传感器可同步、同时输出发生的变化。

本实施例中，多轴机器人控制系统还包括视频监控装置，用于实时监控机器人的姿态，并将采集到的视频信号，通过网络同步传送到操作远端，同时在操作远端将操作器本体的信息，通过网络传输到主控制器。

以下为本实施例六轴同步操作器机械结构的一个优选实施方式：

六轴同步操作器1包括第一轴11~第六轴16，其中，第一轴11与底座17之间转动连接，第二轴12与第一轴11之间通过第一连接体111转动连接；第三轴13与第二轴12之间通过第二连接体112转动连接；第三轴与第五轴之间设有第三连接体113和第四连接体114，且第三连接体113和第四连接体114之间转动连接，形成第四轴14；第五轴15与第四连接体114之间转动连接；第五轴15还通过第五连接体115连接第六轴16。所有轴设置的转动角度和所适应的机器人一致或基本一致。

本实施例中，将第五连接体115作为手柄，底座17可固定在一个便于操作的地方，一只手握住手柄，控制各轴转动。另一只手用于操作暂停键173和速度控制钮171。也可由操作人员一手托住底座，另一只手握住手柄，控制各轴转动。第五连接体115上设有所述的目标点按键18和过渡点按键19，这样，手握第五连接体115时，可方便按下目标点按键18和过渡点按键19。

本实施例六轴同步操作器的六个轴中，后侧的轴移动不会影响前侧的轴，但前侧的轴移动会影响后侧的轴。如第一轴11动作时，第二轴12至第六轴16都会一起动作；第四轴14移动时，第一轴11至第三轴13可以不受到影响，而第五轴15和第六轴16会跟随第四轴14移动。

本实施例中，六轴同步操作器1的每一轴的位置处均设有角度传感器，角度传感器可直接与轴连接或通过齿轮组件与轴连接，用于检测轴转动的角度，并通过微处理器向主控制器和伺服驱动器发送运行脉冲和方向信息，通过计算，获得每个轴转动的角度。

六轴同步操作器1的底座17上设有速度控制器171和电源开关172，第一连接体111的上部设有暂停键173。其中，速度控制器171用于调节速度的倍率，即指六轴同步操作器的各轴操作的角度对应六轴机器人运动的角度，如六轴同步操作器操作某轴转动10度对应六轴机器人相应的轴转10度，为转速100%速度控制档；若对应六轴机器人相应的轴只转5度，就为50%速度控制档。以此类推，相同操作速度在不同档位下的输出频率是不同的。可以说，本发明多轴同步操作器各轴体的转动角度与多轴机器人各关节的转动角度呈线性比例，可根据速度控制档进行调节。本实施例的速度控制器可以是档位调节或无极变速调节。电源开关172用于紧急停用；暂停键173用于控制六轴同步操作器开始或暂停发送脉冲。

通过六轴同步操作器1，能够获得六轴机器人模糊的运行轨迹，再经主控制器优化，此后多轴机器人2可直接根据优化的运行轨迹直接进行工作，无需再通过六轴同步操作器控制。具体为：

操作人员手持六轴同步操作器的第五连接体115，来控制各轴动作。当操作人员手持六轴同步操作器1控制各轴动作时，六路角度传感器检测到各轴的角度变化后，会通过操作器本体内的微处理器处理后发送运行脉冲和方向信息给主控制器和各伺服驱动器，主控制器此时不进行信号处理，只进行存储，而伺服驱动器则根据运行脉冲和方向信息控制伺服电机动作，使六轴机器人与六轴同步操作器同步动作。

操作人员根据六轴机器人2执行某一任务的目标位置，来控制各轴动作，使六轴机器人朝着目标方向行进。此时，目标位置定为目标点，即当六轴机器人到达目标位置时，操作人员按下六轴同步操作器上的目标点按键18。在六轴机器人的初始位置（即原点）至目标点的这一路线中，可自由定义过渡点，操作人员可在原点至目标点之间的某个位置处按下六轴同步操作器上的过渡点按键19。当机器人执行完任务返回至原点时，可按照该路径返回。当操作人员按下目标点按键或过渡点按键时，信号会直接发送给主控制器，主控制器经目标点和过渡点数据储存在存储器中。其中，目标点和过渡点均可自由设置，没有数量限制。

而六轴机器人在目标点执行任务后，需要离开此位置是有条件的。例如：设置定时离开，六轴机器人在目标位置工作时，一旦到达设定时间，就主动离开此位置；又或者在目标点的工作完成后由外部发送来的工作已完成的反馈信号，收到信号就离开；还或者设置在目标点的工作流程结束后就离开。

本发明通过设置目标点按键18和过渡点按键19，能够实现真正意义的机器人无编程使用；并且在用多轴同步操作器手动操作机器人时，只对结果负责，即只对目标点和过渡点的坐标负责，过程中是否平稳不在考虑范围，从而大大降低了对系统软硬件的要求，简化了计算，减少了计算量。

本发明目标点和过渡点的坐标计算方法为：分别将各轴的脉冲和方向信息以目标点和过渡点的位置为节点进行分段；计算各轴每段的有效脉冲数和总的方向；例如：在目标点和过渡点之间运行了100个脉冲，90个是正向，10个是负向，计算的结果是运行的有效脉冲数为80个，方向为正向。以六轴机器人的原点为起点坐标，计算六轴机器人移动到过渡点或目标点后相对于原点或前一个过渡点（或目标点）的坐标和角度增量。对于每种机器人来讲，向每一轴的伺服驱动器输入一个脉冲，至使该轴旋转的角度是一定的。以机器人的原点为起点坐标，将所有轴的运动角度计算，就可以得出机器人移动到的、相对于机器人原点或前一个过渡点（或目标点）的坐标和角度增量。在机器人安装完成后，它的原点坐标物理方式是确定和稳定的。这种目标点和过渡点的坐标获取方式，计算简单，没有复杂的公式，大大简化程序。

下面对坐标计算举例进行说明：

过程，原点——过渡点——目标点。

设置的机器人原点坐标定义为：六个轴都为零度。

通过六轴同步操作器操作后，从原点到过渡点，假设每轴的增量分别为：第一轴为15°、 第二轴为10°、第三轴为45°、第四轴为-15°、第五轴为8°、第六轴为-120°。这六个轴的角度就是过渡点的坐标。再从过渡点到目标点，每轴的增量分别为：第一轴为-5°、第二轴为5°、第三轴为-15°、第四轴为20°、第五轴为12°、第六轴为90°，则目标点相对于原点的坐标为：第一轴为10°、第二轴为15°、第三轴为30°、第四轴为5°、 第五轴为20°、第六轴为-30°。也就是说，计算方式就是分别将六个轴原点坐标与增量值带符号相加就是后一个点的坐标。

主控制器获得目标点和过渡点的坐标信息后，可对机器人的运行轨迹进行优化计算。本发明一个优选的优化方式为：分别将各轴的脉冲和方向信息以目标点和过渡点的位置为节点进行分段，将每段分为加速段、匀速段、减速段。运行的总脉冲数为有效脉冲数。运行速度（对应发脉冲的频率）按设置的速度控制档（以最高速度的百分率），计算出匀速段的速度，以此速度为基准计算出加速曲线、减速曲线以及每通道的脉冲数。这种优化方式不存在录入时的抖动、停顿等问题，运行时每段都将是平稳、平滑的，从而达到优化的目的。优化后的数据在存储器内储存。主控制器按一定的速率在I/O口发送运行轨迹数据，去控制伺服驱动器，就可以使机器人按设置的轨迹运行。

上述方法通过操作人员手动控制多轴同步操作器，操作器本体的机械力学结构与所操作的机器人类似，可使得人手动操作动作与机器人运行动作同步协调，可方便的实现操作的流畅与精准；通过设置目标点和过渡点，并获得目标点和过渡点的坐标，来获得机器人从原点到目标位置执行任务的运行轨迹，并通过优化该运行轨迹，使得机器人在之后的操作中都通过设置的轨迹运行，使得整个过程计算简单，通过对目标点和过渡点进行坐标计算，就可获得到运行轨迹，无需考虑运行轨迹过程中的平稳度，只需考虑目标点和过渡点即可，也无需通过分解计算出机器人运行轨迹，所要求的嵌入式系统的资源最少。

如图4~图6所示：以下为本实施例六轴同步操作器机械结构的另一个优选实施方式：

与前述六轴同步操作器的区别在于，本实施例的六轴同步操作器对应的是另一六轴机器人2’的各关节21’。其中，第四轴14’与第五轴15’的结构与前述六轴同步操作器不同。第三轴13通过第三连接体113’连接第四轴14’，第四轴14’连接第四连接体114’，且第四连接体114’分成两节，两节之间转动连接，形成第五轴15’，第四连接体114’连接第五连接体115’，第五连接体115’的末端设有第六轴16。其中，第五连接体115’作为手柄使用。所有轴设置的转动角度和所适应的机器人一致或基本一致。

上述两种六轴同步操作器的结构可对应不同的六轴机器人，本申请的六轴同步操作器可根据六轴机器人的结构进行变化，只要使多轴同步操作器的机械力学结构与所操作的多轴机器人类似即可。

如图7所示：以下为本实施例四轴同步操作器机械结构的一个优选实施方式：

本实施例的四轴同步操作器对应的是四轴机器人的四个关节。四轴同步操作器3包括第一轴31~第四轴34，其中，第一轴31与底座30之间转动连接，第二轴32与第一轴31之间通过第一连接体311转动连接；第三轴33与第二轴32之间通过第二连接体312转动连接；第三轴33与第四轴34之间通过第三连接体313转动连接；第四轴34上连接第四连接体314，第四连接体314作为手柄使用，手柄上设有目标点按键35和过渡点按键36。底座30上设有速度控制档37和电源开关38；第一连接体311的上部设有暂停键39。其中，第一连接体311通过第一轴31连接于底座30的顶部，第一连接体311为柱体结构；第二至第四连接体均为杆体结构，相邻杆体之间形成轴。四轴同步操作器的工作原理同前述的六轴同步操作器，只是少了部分轴体而已。

上述是本发明对四轴和六轴同步操作器结构的具体实施例，可以理解的是，本申请的多轴同步操作器还可以是三轴、五轴等，甚至可以是七轴，只要多轴同步操作器与多轴机器人的力学关系能对应上即可。

Claims (10)

1.多轴同步操作器，其特征在于，包括操作器本体，所述操作器本体包括底座、设于底座上并与多轴机器人各关节相对应的轴体以及用于操控各轴体转动的手柄；各轴体处均设有角度传感器；操作器本体上设有过渡点按键和目标点按键；所述角度传感器、过渡点按键和目标点按键通过操作器本体内的微处理器与多轴机器人的控制系统进行信息传输。

2.根据权利要求1所述的多轴同步操作器，其特征在于，所述操作器本体包括至少四个轴体，各轴体之间转动连接，使得各轴体的力学结构等同于多轴机器人。

3.根据权利要求2所述的多轴同步操作器，其特征在于，当所述操作器本体包括N个轴体时，第一轴与底座之间转动连接，第一轴~第N轴依次通过连接体转动连接，将第N-1轴与第N轴之间的连接体或者将第N轴上的连接体作为手柄使用；其中N=4~6。

4.根据权利要求3所述的多轴同步操作器，其特征在于，所述多轴同步操作器各轴体的转动角度与多轴机器人各关节的转动角度呈线性比例。

5.根据权利要求1~4任一项所述的多轴同步操作器，其特征在于，所述角度传感器直接与轴连接或通过齿轮组件与轴连接，用于检测轴转动的角度，并通过微处理器向多轴机器人的控制系统发送运行脉冲和方向信息。

6.根据权利要求1~4任一项所述的多轴同步操作器，其特征在于，所述操作器本体上还设有电源开关、暂停键以及速度控制档；所述过渡点按键和目标点按键设于手柄上。

7.多轴同步操作器的操作系统，其特征在于，包括：

角度传感器，数量与操作器本体的轴数量相同，并设于操作器本体的各轴处，用于获人手在操作手柄时各关节的变化量；

过渡点按键和目标点按键，用于在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点；

微处理器，用于将接收到的角度传感器信号、过渡点位置和目标点位置信息转换成运行脉冲、方向、过渡点位置和目标点位置信息，发送给多轴机器人控制系统的主控制器经主控制器桥接发送给伺服驱动器或单独发给伺服驱动器。

8.根据权利要求7所述多轴同步操作器的操作系统，其特征在于，还包括：

速度控制器，用于调节速度的倍率，将速度倍率信息发送给微处理器，使操作器本体各轴操作的速度换算的频率乘以倍率即为多轴机器人运动的速度；

暂停键，用于控制操作器本体开始或暂停发送脉冲。

9.根据权利要求7或8所述多轴同步操作器的操作系统，其特征在于，所述伺服驱动器的数量与多轴机器人上的伺服电机的数量相对应，伺服电机的数量与多轴机器人的关节数量相对应；伺服驱动器用于将接收到的操作器本体发送的控制信息，来控制多轴机器人的各轴伺服电机进行动作或停止动作，以及用于将接收到的主控制器发送的优化后的运行轨迹数据，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行用于控制多轴机器人的各关节动作。

10.根据权利要求7或8所述多轴同步操作器的操作系统，其特征在于，所述多轴机器人控制系统还包括视频监控装置，用于实时监控机器人的姿态，并将采集到的视频信号，通过网络同步传送到操作远端，同时在操作远端将操作器本体的信息，通过网络传输到主控制器。