CN110181521A - 确定机器人轨迹的操作控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

确定机器人轨迹的操作控制方法及其系统，所述的方法包括：通过手动操作控制手柄，同时控制多轴机器人的各轴动作，并在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点，其中，过渡点为多轴机器人在运行轨迹中需要经过的位置；目标点为多轴机器人执行任务的位置；采集手动操作控制手柄控制多轴机器人各轴动作的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息；根据所述的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，计算多轴机器人的最优运行轨迹，使多轴机器人按照优化好的轨迹运行。本发明还包括确定机器人轨迹的操作控制系统。本发明计算简单，无编程，平稳性高，滞后性小。

Description

确定机器人轨迹的操作控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及多轴机器人控制领域，特别是确定机器人轨迹的操作控制方法及其系统。

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）现有的经各种分解计算出机器人的运行轨迹的技术；如CN107214702A公开了一种利用虚拟现实手柄确定机器人轨迹的规划方法及系统，是获取各离散点连成折线，并通过插补的方式获得机器人的运行轨迹，这种方式会使计算复杂，且需要考虑操作过程中的整个平稳性和平滑性；该机器人轨迹规划方法是将检测到的控制信息经过控制器预处理后再发送给伺服驱动器，即虚拟现实手柄产生的信号需要通过预处理后再来控制机器人的伺服驱动器，这种处理方式一方面需要考虑操作过程中的整个平稳性和平滑性，另一方面会使系统有较大的滞后性。（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。（5）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。

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计算简单，省时省力，无需编程，无滞后性的确定机器人轨迹的操作控制方法及其系统。

本发明的技术方案是：

本发明之确定机器人轨迹的操作控制方法，包括：

通过手动操作控制手柄，同时控制多轴机器人的各轴动作，并在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点，其中，过渡点为多轴机器人在运行轨迹中需要经过的位置；目标点为多轴机器人执行任务的位置；

采集手动操作控制手柄控制多轴机器人各轴动作的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息；

根据所述的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，计算多轴机器人的最优运行轨迹，使多轴机器人按照优化好的轨迹运行。

进一步，所述过渡点和目标点的坐标信息获取方法为：

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；

以多轴机器人的原点为起点坐标，计算多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/目标点的坐标和角度增量。

进一步，所述采集手动操作控制手柄控制多轴机器人各轴动作的控制信息的步骤包括：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，伺服驱动器根据控制信息去控制多轴机器人的各轴处的电机动作。其中，手动操作控制手柄可直接发送控制信息给伺服驱动器，也可通过控制器桥接发送给伺服驱动器。

进一步，还包括状态切换的操作步骤：

在手动操作控制手柄录入运行轨迹的状态下，手动操作控制手柄的输入端口打开，控制器对应的该手动操作控制手柄的接口处于接收状态、对应的伺服驱动器接口处于接通状态，多轴手动同步操作器同时、同步发送控制信息给控制器和多个伺服驱动器；或者当手动操作控制手柄有至少两个时，则该手动操作控制手柄的输入端口打开，其他手动操作控制手柄的输入端口关闭；

在参数设置、计算状态，只有人机界面通讯输入的端口打开，其余的端口全部关闭；

在多轴机器人按照设定轨迹运行的状态下，手动操作控制手柄的端口关闭，控制器对应的端口处于输出状态，控制器发送运行轨迹数据给伺服驱动器，结合编码器反馈，形成闭环控制，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

进一步，通过手动操作控制手柄获取的是准确的目标点位置和模糊的运行轨迹，再根据过渡点和目标点的坐标信息，对多轴机器人的运行轨迹进行优化，以获得平稳、平滑的运行轨迹。

进一步，在多轴机器人运行时，还包括以下至少一种操作步骤：

（1）人机安全协作方式：当检测到多轴机器人触碰到障碍物时，则控制多轴机器人停止动作；当障碍物消除后，则继续工作；

（2）多轴机器人限位方式：当检测到多轴机器人动作至极限位置时，则控制机器人停止

动作；

（3）远程操作方式：通过接入摄像头和网络，摄像头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，实现远程可视化操作。

本发明之确定机器人轨迹的操作控制系统，包括：

手动操作控制手柄，用于捕获人手在操作器手柄上的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息，并将控制信息发送给控制器和伺服驱动器；

控制器，用于存储手动操作控制手柄发送的控制信息，并对存储的控制信息进行计算，获得过渡点和目标点的坐标信息、优化运行轨迹，以及将优化好的轨迹数据发送给伺服驱动器，控制多轴机器人按照优化过的轨迹运行；

伺服驱动器，用于将接收到的手动操作控制手柄发送的控制信息，来控制多轴机器人的各轴电机进行动作或停止动作；以及用于将接收到的控制器发送的运行轨迹数据，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

进一步，所述手动操作控制手柄包括设于手柄本体的各关节处、且用于捕获人手在操作手柄时各关节的变化量的检测传感器、设于操作手柄上的过渡点按键和目标点按键、以及用于将传感器检测到的变化量转化成运行脉冲与方向信息、并将所述控制信息同步输出的控制芯片。

进一步，所述手动操作控制手柄为多轴同步操作器，包括与多轴机器人相对应的轴体，使得手动操作控制手柄的力学结构等同于多轴机器人，各轴体位置处均设有角度传感器；或者所述手动操作控制手柄为电子手轮，电子手轮内设有力传感器，电子手轮上设有两个按键，通过手动按压其中一个按键，力传感器检测到力的方向来对应多轴机器人的旋转方向，力传感器检测到的力度转换为脉冲信号；电子手轮上还设有用于选择需要操作哪一轴的通道选择波段开关。

进一步，所述控制系统还包括以下至少一种：

人机界面，用于进行参数设置；

摄像头，用于远程监控多轴机器人的运行状态；

操作远端，用于接收摄像头的视频信号，同时将手动操作控制手柄的信号，通过网络传输到控制器；

安全传感器，设于多轴机器人上，用于检测多轴机器人是否碰触到障碍物；

限位传感器，用于检测多轴机器人是否动作至极限位置。

进一步，所述手动操作控制手柄上还设有速度控制器，用于调节速度的倍率，将速度倍率信息发送给控制芯片，将在各轴上操作的速度所换算成的频率，乘以倍率发送给控制器和伺服驱动器（控制芯片直接发送给伺服驱动器或者通过控制器桥接发送给伺服驱动器）；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。

本发明的有益效果：

（1）通常设置手动操作控制手柄来确定机器人的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控制手柄即可，省时省力；

（2）在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点，并采集手动操作控制手柄的运行脉冲、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；

（3）过渡点和目标点的坐标信息获取方法是通过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来计算各轴每段的有效脉冲数和总的方向，从而获得多轴机器人移动到过渡点或目标点后相对于原点前一个过渡点/目标点的坐标和角度增量，计算简单，没有复杂的公式，大大简化程序；

（4）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；

（5）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，还可使操作的精准达到很高的水平；

（6）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；

（7）本系统无需编程，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；

（8）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；

（9）摄像头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是本发明实施例的控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例主控板的电路原理图；

图3是本发明实施例多轴同步操作器的结构示意图；

图4是本发明实施例六轴机器人的结构示意图；

图5是本发明实施例电子手轮的结构示意图；

图6是图5所示实施例电子手轮的内部结构示意图。

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。

如图1所示：确定机器人轨迹的操作控制系统，包括：

手动操作控制手柄，用于捕获人手在操作器手柄上的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息，并将控制信息发送给控制器和伺服驱动器；

控制器，用于对存储器内存储的控制信息进行计算，获得过渡点和目标点的坐标信息、

优化运行轨迹，以及将优化好的轨迹数据存储到存储器中；运行时再到存储器中提取优化好的轨迹数据，再在控制器的控制下发送给伺服驱动器，控制多轴机器人按照优化过的轨迹运行；

伺服驱动器，用于接收手动操作控制手柄发送的控制信息，来控制多轴机器人的各轴电机进行动作或停止动作；以及用于接收控制器发送的运行轨迹数据，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

具体地，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。其中，手动操作控制手柄可以是一个，也可以是多个，本实施例优选包括多轴同步操作器和电子手轮两个手动操作控制手柄，且这两个手动操作控制手柄上均设有目标点按键和过渡点按键，以便于设置过渡点和目标点。

如图2所示：本实施例的控制器通过存储器存储手动操作控制手柄发送的控制信息以及优化完成待运行的轨迹数据；控制器和存储器设于主控板上，主控板上还设有多个接口，可以是但不限于：

多轴同步操作器接口，用于连接多轴同步操作器；

电子手轮接口，用于连接电子手轮；

以太网通讯接口，用于实现远程操作，以接收多轴同步操作器或电子手轮的远程操作信号；

视频接口，用于连接摄像头，以实现多轴机器人的远程监控；

USB接口，用于实现控制系统与外部设备的连接和通讯；

人机协作安全接口，用于连接安全传感器，一旦检测到多轴机器人碰触到障碍物（包括人或物），多轴机器人将停止动作，在障碍物消除后，多轴机器人将从停止位置处开始继续未完成的运行程序；

通用I/O接口，用于接收外部姿态和输出控制外部状态，以及在有多台机器人联动时的协调；

机器人限位及安全接口，用于连接限位传感器，通过限位传感器来限制多轴机器人每轴的摆动的最大幅度；

人机界面通讯接口，用于进行多轴机器人的相关参数设置，实现人机交互；

编码器反馈接口，用于反馈多轴机器人上的电机的旋转角度（位置），再由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电机状态或位置；

伺服驱动器接口，用于连接伺服驱动器，伺服驱动器的数量与多轴机器人各轴电机的数量相对应。

此外，主控板还与操作远端进行通信，通过摄像头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，实现远程可视化操作。

主控板还可进行串口通信、连接无线模块进行无线通信等。

本发明确定机器人轨迹的具体操作控制方法为：

（1）如图3和图4所示：当需要多轴同步操作器1操作时，将多轴同步操作器1与主控板的多轴同步操作器接口连接；通过多轴同步操作器1发送控制信息给控制器和伺服驱动器，控制器通过存储器对控制信息进行储存，伺服驱动器则控制多轴机器人2上的各轴电机动作。

具体地，多轴同步操作器1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。此处以六轴机器人为例进行说明。

六轴机器人2在所设计的六轴位置处均通过电机控制其动作，即包括六路电机，电机为伺服电机；与六路电机连接的是六路伺服驱动器。控制器的输出端分别与伺服驱动器连接。每个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控制器，再由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。多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。以下为本实施例多轴同步操作器机械结构的一个优选实施方式：

多轴同步操作器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，转动最大角度为360°；第二轴12与第一轴11转动连接，第二轴12的转动角度0~180°；第三轴13与第二轴12上的连杆121转动连接，转动角度为-90°~180°；第四轴连杆141的一端连接第三轴13，另一端连接第五轴15，第四轴连杆141分成两节杆体，两节杆体之间转动连接，从而形成第四轴14，其转动的最大角度为360°；第五轴15的转动角度为-90°~90°；第五轴连杆151连接第六轴16，第六轴16的转动的最大角度为360°。第五轴连杆151上设有目标点按键18和过渡点按键19。手动操作多轴同步操作器1时，手握第五轴连杆151进行操作。多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。如第一轴动作时，第二轴至第六周都会一起动作；第四轴移动时，第一轴至第三轴可以不受到影响，而第五轴和第六轴会跟随第四轴移动。

本实施例中，多轴同步操作器1的每一轴的位置处均设有角度传感器，角度传感器直接与轴连接或者通过齿轮组件与轴连接，用于检测轴转动的角度，并通过控制芯片向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。

多轴同步操作器上还设有速度控制器171、电源开关172和暂停键173。其中，速度控制器171用于调节速度的倍率，将速度倍率信息发送给控制芯片，将在各轴上操作的速度所换算成的频率，乘以倍率向控制器发送并通过控制器桥接，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。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%速度控制位置；若对应六轴机器人相应的轴只转5度，就为50%速度控制位置。以此类推，相同操作速度在不同位置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，可根据速度控制位置进行调节。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用于控制多轴同步操作器开始或暂停发送脉冲。

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

操作人员手持多轴同步操作器的第五轴连杆151，来控制各轴动作。当操作人员手持多轴同步操作器控制各轴动作时，各角度传感器检测到各轴的角度变化后，会通过操作器内的控制芯片处理后发送运行脉冲和方向信息给控制器和各伺服驱动器，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电机动作，使机器人与多轴同步操作器同步动作。

操作人员根据多轴机器人执行某一任务的目标位置，来控制各轴动作，使多轴机器人朝着目标方向行进。此时，目标位置定为目标点，即当多轴机器人到达目标位置时，操作人员按下多轴同步操作器上的目标点按键18。在多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多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，信号会直接发送给控制器，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。

而多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，多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和过渡点，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。以多轴机器人的原点为起点坐标，计算多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。

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。

通过多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。

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）按设置的速度控制位置（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。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。同时伺服电机编码器的编码信号发送给控制器，再由控制器按一定的需要进行处理，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。

上述方法通过操作人员手动控制多轴同步操作器，来实现机器人的同步协调动作，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，不仅能够实现操作的流畅与精准；而且整个过程计算简单，只需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。

（2）如图5和图6所示：当需要电子手轮3操作时，将电子手轮3与主控板的电子手轮接口连接；通过电子手轮3发送信号给控制器，控制器直接将控制信息给控制器和伺服驱动器，控制器通过存储器对控制信息进行储存，伺服驱动器则控制多轴机器人上的各轴电机动作。

具体地，本实施例的电子手轮3包括：

力传感器31：设于电子手轮3的壳体内，用于检测力的方向，以对应多轴机器人的旋转方向；

一个电源开关32：用于紧急停用；

一个使能开关33：用于通知控制器电子手轮开始工作；

两个脉冲发送按键：对应力传感器的两个方向，分别代表两个转向，即正转按键34和反转按键35；按键为压块结构，便于力传感器31感应力度和方向。力传感器31感应到的力的方向对应机器人的旋转方向；力传感器31检测到的力度通过A/D转换对应到脉冲频率（速度），并通过电子手轮控制板上的控制芯片发送给主控板的控制器。

两个波段开关：包括速度档波段开关36和通道选择波段开关37；其中，通道选择波段开关37用于选择需要操作哪一轴；速度档波段开关36用于调节速度的倍率，类似于多轴同步操作器的速度控制器；速度档波段开关36直接关联发送频率的范围，在速度档波段开关设置的频率范围下，再由力传感器控制具体的频率值；

两个位置点按键：包括目标点按键38和过渡点按键39。

本发明电子手轮的工作原理为：将电子手轮通过电缆线接口30与主控板的电子手轮接口连接。开启使能开关，通知控制器电子手轮开始工作。通过通道选择波段开关选择需要操作的轴，例如选择控制机器人的第一轴动作，通过速度档波段开关选择调节速度的倍率，如选用转速为100%速度档；参数设置完毕后，操作人员开始按压脉冲发送按键，如按压正转按键，力传感器会将感应的力度和受力方向，转换为脉冲信号发送给控制器和伺服驱动器，伺服驱动器控制与第一轴相对应的电机动作，从而使第一轴正向（如顺时针）转动，由于选用转速为100%速度档，机器人第一轴转动角度与操作人员按压正转按键的力度相同。当第一轴转动目标位置后，可再通过通道选择波段开关设置其它档位。而目标点按键和过渡点按键的操作原理、控制器对目标点和过渡点坐标的计算以及轨迹优化等同于前述多轴同步操作器的操作控制原理，此处不再赘述。

上述的电子手轮通过采用力传感器，可代替现有的旋转编码器，来实现机器人的同步协调动作，结构简单，操作人员可采用单手操作，从而解放另一只手。可以理解的是，本发明的电子手轮也可采用旋转编码器控制手轮代替，但旋转编码器控制手轮需要双手进行操作。

（3）本发明还包括状态切换操作方法，具体为：

所述的状态包括多轴同步操作器录入状态、电子手轮录入状态、设置计算状态、机器人远程操作状态、机器人运行状态。在多轴同步操作器录入状态下，需要录入运行轨迹时，多轴同步操作器的输入端口打开，电子手轮端口关闭，控制系统对应的多轴同步操作器接口处于接收状态、对应的伺服驱动器接口处于接通状态；多轴手动同步操作器同时、同步发送控制信息给控制器和多个伺服驱动器；在电子手轮录入状态下，电子手轮端口打开，多轴同步操作器的输入端口关闭，控制系统对应的电子手轮接口处于接收状态、对应的伺服驱动器接口处于接通状态；电子手轮同时、同步发送控制信息给控制器和多个伺服驱动器。在参数设置和计算状态下，控制系统只有人机界面的端口打开，其余端口全部关闭。在多轴机器人运行状态下，多轴同步操作器端口、电子手轮端口全部关闭，控制系统对应的端口处于输出状态，控制器在存储器中取出轨迹数据，发送给伺服驱动器，结合编码器反馈，形成闭环控制，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

（4）本发明中，机器人运行模式包括极简模式、简易常规模式和多种运行轨迹编程模式三种主要模式。其中，多种运行轨迹编程模式是基于常规算法驱动的方式，与现有机器人的运行轨迹运算方式类似，此处不作具体赘述。

a.极简模式:以多轴同步操作器或电子手轮录入机器人的运行轨迹，再选择运行模式为极简模式（在人机界面进行选择），机器人便可以开始工作。本实施例的极简模式，在整个过程中没有一行代码，没有参数设置，机器人便可以完成常规的工作。如设置定时离开，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；又或者设置在目标点的工作流程结束后就离开。

b.简易常规模式：以多轴同步操作器或电子手轮录录入运行轨迹，在人机界面上设置工作目标点的动作，一种简单的工作参数设置内容为：达到入口条件---输出开关状态---延时---达到入口条件---输出开关状态---延时---，如此循环，以最后一条设置为结束。再选择运行模式为简易常规模式，机器人便可以开始工作。例如：由外部给机器人一个开始工作信号，工作完成后，再由控制器给机器人一个离开信号，多轴机器人就会离开。本实施例的简易常规模式，在整个过程中没有一行代码，只有简单的参数设置，机器人便可以完成常规的工作。

（5）机器人与人安全协作方式：在机器人本体上安装有安全传感器，一旦机器人触碰到障碍物（人或物），就会被安全传感器检测到，安全传感器连接主控板的人机协作安全接口，在机器人运行时，一旦安全传感器检测到多轴机器人触碰到障碍物，就会发信号给控制器，控制器发送指令给伺服驱动器，从而控制机器人快速停止运动；在触碰消除后，可以人工按继续运行键，机器人将从停止的点开始继续未完成的运行程序；也可以是安全传感器检测到未有障碍物时，发送信号给控制器，控制器控制伺服驱动器，使机器人继续工作。

（6）机器人限位及安全操作方式：多轴机器人在摆动的极限位置处设有限位传感器，如限位开关。可在机器人的每个轴处均设置限位开关，也可在部分轴处设置；当机器人碰触到限位开关时，限位开关就会发送信号给控制器，控制器就会发送信号给伺服驱动器，伺服驱动器就会控制机器人在摆动的机械位置处停止动作。或者，通过多轴机器人各轴电机处的编码器进行限位。通过限位，一方面能够防止多轴机器人对其周围的人造成危害，另一方面，能够保护多轴机器人的零部件不受损坏。

（7）远程操作方式：通过将主控板上的摄像头接口和以太网接口分别连接摄像头和网络，摄像头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，实现远程可视化操作。

Claims (10)

1.确定机器人轨迹的操作控制方法，其特征在于，包括：

通过手动操作控制手柄，同时控制多轴机器人的各轴动作，并在多轴机器人的运行轨迹中设置过渡点和目标点，其中，过渡点为多轴机器人在运行轨迹中需要经过的位置；目标点为多轴机器人执行任务的位置；

采集手动操作控制手柄控制多轴机器人各轴动作的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息；

根据所述的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，计算多轴机器人的最优运行轨迹，使多轴机器人按照优化好的轨迹运行。

2.根据权利要求1所述确定机器人轨迹的操作控制方法，其特征在于，所述过渡点和目标点的坐标信息获取方法为：

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；

以多轴机器人的原点为起点坐标，计算多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/目标点的坐标和角度增量。

3.根据权利要求1所述确定机器人轨迹的操作控制方法，其特征在于，所述采集手动操作控制手柄控制多轴机器人各轴动作的控制信息的步骤包括：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，伺服驱动器根据控制信息去控制多轴机器人的各轴处的电机动作。

4.根据权利要求1或2或3所述确定机器人轨迹的操作控制方法，其特征在于，还包括状态切换的操作步骤：

在手动操作控制手柄录入运行轨迹的状态下，手动操作控制手柄的输入端口打开，控制器对应的该手动操作控制手柄的接口处于接收状态、对应的伺服驱动器接口处于接通状态，多轴手动同步操作器同时、同步发送控制信息给控制器和多个伺服驱动器；或者当手动操作控制手柄有至少两个时，则该手动操作控制手柄的输入端口打开，其他手动操作控制手柄的输入端口关闭；

在参数设置、计算状态，只有人机界面通讯输入的端口打开，其余的端口全部关闭；

在多轴机器人按照设定轨迹运行的状态下，手动操作控制手柄的端口关闭，控制器对应的端口处于输出状态，控制器发送运行轨迹数据给伺服驱动器，结合编码器反馈，形成闭环控制，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

5.根据权利要求1或2或3所述确定机器人轨迹的操作控制方法，其特征在于，在多轴机器人运行时，还包括以下至少一种操作步骤：

（1）人机安全协作方式：当检测到多轴机器人触碰到障碍物时，则控制多轴机器人停止动作；当障碍物消除后，则继续工作；

（2）多轴机器人限位方式：当检测到多轴机器人动作至极限位置时，则控制机器人停止动作；

远程操作方式：控制器通过接入摄像头和网络，摄像头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，实现远程可视化操作。

6.确定机器人轨迹的操作控制系统，其特征在于，包括：

手动操作控制手柄，用于捕获人手在操作器手柄上的控制信息，包括运行脉冲、方向、目标点位置和过渡点位置信息，并将控制信息同时发送给控制器和伺服驱动器；

控制器，用于存储手动操作控制手柄发送的控制信息，并对存储的控制信息进行计算，获得过渡点和目标点的坐标信息、优化运行轨迹，以及将优化好的轨迹数据发送给伺服驱动器，控制多轴机器人按照优化过的轨迹运行；

伺服驱动器，用于将接收到的手动操作控制手柄发送的控制信息，来控制多轴机器人的各轴电机进行动作或停止动作；以及用于将接收到的控制器发送的运行轨迹数据，来控制多轴机器人按照设定的轨迹运行。

7.根据权利要求6所述确定机器人轨迹的操作控制系统，其特征在于，所述手动操作控制手柄包括设于手柄本体的各关节处、且用于捕获人手在操作手柄时各关节的变化量的检测传感器、设于操作手柄上的过渡点按键和目标点按键、以及用于将传感器检测到的变化量转化成运行脉冲与方向信息、并将所述控制信息同步输出的控制芯片。

8.根据权利要求7所述确定机器人轨迹的操作控制系统，其特征在于，所述手动操作控制手柄为多轴同步操作器，包括与多轴机器人相对应的轴体，使得手动操作控制手柄的力学结构等同于多轴机器人，各轴体位置处均设有角度传感器；或者所述手动操作控制手柄为电子手轮，电子手轮内设有力传感器，电子手轮上设有两个按键，通过手动按压其中一个按键，力传感器检测到力的方向来对应多轴机器人的旋转方向，力传感器检测到的力度转换为脉冲信号；电子手轮上还设有用于选择需要操作哪一轴的通道选择波段开关。

9.根据权利要求6或7或8所述确定机器人轨迹的操作控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括以下至少一种：

人机界面，用于进行多轴机器人的相关参数设置，实现人机交互；

摄像头，用于远程监控多轴机器人的运行状态；

操作远端，用于接收摄像头的视频信号，同时将手动操作控制手柄的信号，通过网络传输到控制器；

安全传感器，设于多轴机器人上，用于检测多轴机器人是否碰触到障碍物；

限位传感器，用于检测多轴机器人是否动作至极限位置。

10.根据权利要求7或8所述确定机器人轨迹的操作控制系统，其特征在于，所述手动操作控制手柄上还设有速度控制器，用于调节速度的倍率，将速度倍率信息发送给控制芯片，将在各轴上操作的速度所换算成的频率，乘以倍率发送给控制器和伺服驱动器；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。