CN110193816A - 工业机器人示教方法、手柄及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工业机器人示教方法、手柄及系统，其通过采用手柄进行示教，并分别获取手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据，再根据获取的数据生成工业机器人末端执行器的运动轨迹，再根据运动轨迹获得工业机器人各个关节的角度后，结合工艺参数数据生成用于控制工业机器人的示教代码；解决了现有技术中工业机器人示教方法成本高、操作繁琐且存在安全隐患的技术问题。

Description

工业机器人示教方法、手柄及系统

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其是涉及工业机器人示教方法、手柄及系统。

背景技术

随着现代工业技术的不断发展，机器人在现代工业生产过程中得到越来越广泛的应用。目前，工业机器人一般通过示教的方式预先规划好运动轨迹，在生产过程中再复现相应的轨迹从而完成某一特定的工序，即示教再现。

现有技术中，工业机器人示教方法一般包括以下几种：

(1)示教器编程示教：操作者通过示教器编辑机器人每一条路径的速度、位移等信息，使得机器人达到相应的起点与终点，最后完成整个轨迹的编程。

(2)拖动示教：操作者在示教模式下直接用手拖动机器人末端沿着期望的轨迹进行示教，机器人控制系统自动储存轨迹信息然后再复现，操作者无需掌握任何机器人专业知识。

(3)基于测量机引导的机器人示教方法：制作一个质量比较轻的与机器人尺寸等比例的测量机，由操作者推动测量机运动，机器人控制系统记录测量机各轴的旋转角度，进而由机器人末端复现相应轨迹。

但是，以上的工业机器人示教方法都存在以下的问题：

第一种工业机器人示教方法需要操作人员具备较高的专业素质，操作困难，编程效率低，人机交互性较差，难以将一线工人积累的如焊接、涂胶、喷漆、打磨等工艺经验和知识融入到轨迹规划中。

第二种工业机器人示教方法在使用的力与力矩传感器时导致成本较高，并且示教效果会受到传感器精度、零漂、耦合等因素的限制；在通过气缸、杠杆等附加零部件平衡机器人某些轴的部分重力，然后由操作者推动机器人使其沿着一定的轨迹移动，机器人控制系统自动记录轨迹随后再复现时，由于工业机器人质量和惯性较大，加速度受到限制，而且重力一般无法完全被平衡，加上摩擦等因素的存在，操作者拖动示教时并不能灵活自如地按期望的轨迹进行拖动，对操作者体力也是一大挑战，操作者与机器近距离接触，存在一定安全隐患。

第三种工业机器人示教方法需要额外制作一套测量机系统，在行程范围较大时同时移动测量机多个关节存在一定困难。

因此，如何克服上述现有技术中工业机器人示教方法存在的弊端成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种低成本的、安全的、操作简易且高效的工业机器人示教方法。

为此，本发明的第二个目的是提供一种可获取位置参数数据和姿态参数数据的工业机器人示教手柄。

为此，本发明的第三个目的是提供一种低成本的、安全高效的工业机器人示教系统。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种工业机器人示教方法，采用手柄进行示教，包括：

分别获取所述手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据；

根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹；

根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度，并根据所述工业机器人各个关节的角度和所述工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。

进一步地，通过位移传感器获取所述位置参数数据。

进一步地，所述位移传感器为拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器与所述示教手柄连接以获取所述位置参数数据。

进一步地，通过惯性传感器获取所述姿态参数数据，所述惯性传感器设置于所述示教手柄内以获取所述姿态参数数据。

进一步地，根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹具体包括：

根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据获得所述示教手柄的位置和姿态；

根据所述位置和所述姿态生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹。

进一步地，根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度具体包括：

根据所述运动轨迹采用运动学求逆算法获得所述工业机器人各个关节的角度。

第二方面，本发明提供一种工业机器人示教手柄，包括壳体、工艺参数数据获取模块、位置测量系统和姿态测量系统；

所述工艺参数数据获取模块设置于所述壳体的表面，用于获取所述工业机器人示教手柄产生的工艺参数数据；

所述位置测量系统与所述壳体连接，用于获取所述工业机器人示教手柄的位置参数数据；

所述姿态测量系统设置于所述壳体中，用于获取所述工业机器人示教手柄的姿态参数数据。

进一步地，所述位置测量系统包括至少一个拉线式传感器，所述拉线式传感器与所述壳体连接以获取所述位置参数数据。

进一步地，所述姿态测量系统包括至少一个惯性传感器，所述惯性传感器设置于所述壳体的内部以获取所述姿态参数数据。

第三方面，本发明提供一种工业机器人示教系统，包括所述的工业机器人示教手柄、数据采集器、示教处理器、计算机；所述工艺参数数据获取模块的输出端、所述位置测量系统的输出端、所述姿态测量系统的输出端分别与所述数据采集器的输入端连接；所述数据采集器的输出端与所述示教处理器的输入端连接，所述示教处理器的输出端与所述计算机的输入端连接；

所述数据采集器用于采集所述工艺参数数据、所述位置参数数据和所述姿态参数数据；

所述示教处理器根据接收的所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人示教手柄的位置和姿态；

所述计算机接收所述工业机器人示教手柄的位置和姿态获得所述工业机器人各个关节的角度，并根据所述工业机器人各个关节的角度和所述工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。

进一步地，所述工业机器人示教系统还包括机器人控制器和机器人本体；所述计算机的输出端与所述机器人控制器的输入端连接，所述机器人控制器的输出端与所述机器人本体的输入端连接；所述机器人控制器根据所述计算机传输来的所述示教代码控制所述机器人本体的工作。

本发明的第一个有益效果是：

本发明中工业机器人示教方法，其通过采用手柄进行示教，并分别获取手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据，根据获取的数据生成工业机器人末端执行器的运动轨迹，再根据运动轨迹获得工业机器人各个关节的角度后，结合工艺参数数据生成用于控制工业机器人的示教代码；解决了现有技术中工业机器人示教方法成本高、操作繁琐且存在安全隐患的技术问题，提供了一种低成本的、安全的、操作简易且高效的工业机器人示教方法。

本发明的第二个有益效果是：

本发明中工业机器人示教手柄，其通过在工业机器人示教手柄设置有工艺参数数据获取模块和姿态测量系统来分别获取示教手柄的工艺参数数据和姿态参数数据，并通过设置有位置测量系统与壳体连接获取手柄的位置参数数据；解决了现有技术中工业机器人示教手柄不能获取位置参数数据和姿态参数数据的技术问题，提供了一种可获取位置参数数据和姿态参数数据的工业机器人示教手柄。

本发明的第三个有益效果是：

本发明中工业机器人示教系统，其通过数据采集器采集所述工业机器人示教手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据，并将采集到的数据传输至示教处理器，示教处理器根据接收的位置参数数据和姿态参数数据生成工业机器人示教手柄的位置和姿态，计算机根据示教手柄的位置、姿态及工艺参数数据生成用于控制工业机器人的示教代码；解决了现有技术中工业机器人示教系统成本高、操作困难且存在安全隐患的技术问题，提供了一种低成本、安全高效的工业机器人示教系统。

附图说明

图1是本发明中工业机器人示教方法的一具体实施例流程图；

图2是本发明中工业机器人示教手柄的一具体实施例模块框图；

图3是本发明中工业机器人示教系统的一具体实施例模块框图；

图4是本发明中位置测量系统与姿态测量系统的一具体实施例示意图；

图5是本发明中位置测量系统的一具体实施例示教手柄底部的中心点位置测量示意图；

图6是本发明中姿态测量系统的一具体实施例示教手柄的姿态测量示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图2所示，本发明中工业机器人示教手柄包括壳体、工艺参数数据获取模块、姿态测量系统和位置测量系统；其中，工艺参数数据获取模块设置于壳体的表面，用于获取工业机器人示教手柄的工艺参数数据，姿态测量系统设置于壳体中，用于获取工业机器人示教手柄的姿态参数数据，位置测量系统与工业机器人示教手柄壳体底部的中心点连接，以获取工业机器人示教手柄的位置参数数据。

本实施例中，工艺参数数据获取模块为若干个按键开关或旋钮，用于模拟工业机器人末端执行器的工艺参数，例如用于模拟工业机器人末端执行器喷枪开关的通断状态、气压、油量或喷幅等工艺参数。位置测量系统包括至少一个拉线式位移传感器，姿态测量系统包括至少一个惯性传感器，通过拉线式位移传感器获取工业机器人示教手柄的位置参数数据，通过惯性传感器获取工业机器人示教手柄的姿态参数数据，通过工艺参数数据获取模块获取工业机器人示教手柄的工艺参数数据；解决了现有技术中工业机器人示教手柄不能获取工艺参数数据、位置参数数据和姿态参数数据的技术问题，提供了一种可获取位置参数数据和姿态参数数据的工业机器人示教手柄。

参照图3，本发明中工业机器人示教系统包括上述的工业机器人示教手柄、数据采集器、示教处理器和计算机；其中，工艺参数数据获取模块的输出端、位置测量系统的输出端、姿态测量系统的输出端分别与数据采集器的输入端连接，以采集工艺参数数据、位置参数数据和姿态参数数据；数据采集器的输出端与示教处理器的输入端连接，以将采集的数据传输至示教处理器；示教处理器包括位置与姿态计算单元，位置与姿态计算单元根据接收的位置参数数据和姿态参数数据生成工业机器人示教手柄的位置和姿态，再将工业机器人示教手柄的位置、姿态和工艺参数数据传输至计算机；计算机根据工业机器人示教手柄的位置和姿态获得相应的工业机器人末端执行器的运动轨迹(不同的工艺对应的工业机器人末端执行器不同，例如：焊接工艺对应的工业机器人末端执行器为焊枪，喷涂工艺对应的工业机器人末端执行器为喷枪)，根据该运动轨迹获得工业机器人各个关节的角度，并根据工业机器人各个关节的角度和工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。此外，工业机器人示教系统中还可设置有机器人控制器和机器人本体，计算机的输出端与所述机器人控制器的输入端连接，机器人控制器的输出端与所述机器人本体的输入端连接；机器人控制器根据计算机传输来的示教代码控制机器人本体的工作。

以下通过一具体的实施例来说明本发明工业机器人示教系统的工作原理：

本实施例中，首先在位置与姿态计算单元建立基坐标系；参照图4，则位置测量系统所建立的坐标系Oxyz和姿态测量系统所建立的坐标系O'x′y′z′在工业机器人示教手柄未进行示教动作时，其坐标系的各个坐标轴的指向与基坐标系各个坐标轴的指向对应一致。

参照图5，假设位置测量系统与示教手柄底部的中心点P的坐标为(x，y，z)，则确定P点的坐标需要测量工业机器人示教手柄与拉线式传感器之间至少3个几何关系数据，可以是一个长度量和两个角度量、两个长度量和一个角度量、三个长度量等不同形式的组合，显然的，可以增加多个几何关系数据以确保测量的精准性。根据目前传感器的技术特性，长度量的测量精度相对于角度量的测量精度更高且相对容易实施，因此，本实施例中以三个拉线式位移传感器为位置测量系统进行描述。假设三个测量基准点分别位于边长为L的等边三角形的三个顶点A、B和C上(此处应当说明的是，以等边三角形为例是为了计算的方便，即使三个测量基准点不处于等边三角形的顶点同样也可实现P点坐标的测量)，坐标系的原点为线段BC的中点，则三个顶点的坐标分别为A(-sqrt(3)/2*L，0，0)、B(0，L/2，0)和C(0，-L/2，0)；将线段PA、线段PB和线段PC的长度分别表示为l₁、l₂和l₃则可得到以下算式：

l₂ ²＝x²+(y-0.5L)²+z² (2)

l₃ ²＝x²+(y+0.5L)²+z² (3)

由此，P点的坐标值如下式所示：

参照图6，姿态测量系统测量手柄姿态以工业机器人示教手柄壳体底部的中心点P为坐标原点建立坐标系O'x′y′z′；其中，D点表示工业机器人示教手柄模拟喷枪喷出的物料(如漆、釉、粉)在工件表面形成的轨迹点，E点表示喷枪某个特定的几何位置(辅助测量工业机器人示教手柄姿态点)，E点至D点的指向代表喷枪姿态。工业机器人示教手柄的姿态参数数据由安装于壳体内部的惯性传感器测量，用欧拉角表示为R(α，β，γ)。工业机器人示教手柄位于初始位置时，DE、PE所在直线分别与坐标系O'x′y′z′的x’轴、z’轴平行且DEP所在平面与y’轴垂直，此时欧拉角R(α，β，γ)均为零。由于喷枪在空间的姿态即指向与工业机器人示教手柄姿态一致，因此也可以用R(α，β，γ)表示。假设DE、PE长度分别为l₄、l₅，通过坐标变换可以得到D点在坐标系O'x′y′z′中的坐标值，进一步平移可以得到D点在基坐标系上的坐标(x′，y′，z′)，则可得下式：

其中，(α，β，γ)的角度值可由惯性传感器测量得到。在本实施例中，为了尽可能消除漂移的影响，可以采用多个惯性传感器同时测量求平均值的方法提高测量精度。

数据采集器采集上述的位置测量系统测得P点位置参数数据后(即工业机器人示教手柄的位置参数数据)，传输至示教处理器，示教处理器中的位置与姿态计算单元根据P点位置参数数据计算出P点的位置如(4)式所示。数据采集器采集上述的姿态测量系统测得工业机器人示教手柄的姿态参数数据后，传输至示教处理器，示教处理器中的位置与姿态计算单元根据P点的位置和姿态参数数据计算出D点的坐标如(5)式所示。示教处理器将工业机器人示教手柄的位置(P点坐标)、姿态(D点坐标)和工艺参数数据传输至计算机，计算机根据接收的工业机器人示教手柄的位置(P点坐标)和姿态(D点坐标)生成工业机器人末端执行器的运动轨迹，再根据运动学求逆算法技术出机器人本体的各关节角度，最后结合工艺参数数据并按照机器人控制器的指令格式生成示教代码，将示教代码下载至机器人控制器用于可控制机器人本体，完成示教过程。

综上，本发明中工业机器人示教系统采用工业机器人示教手柄模拟机器人末端执行器，通过实时测量并记录进行示教时工业机器人示教手柄的位置与姿态信息，形成连续的轨迹并将其作为参考，生成工业机器人末端执行器的示教轨迹，再通过运动学求逆算法求解机器人本体各个关节的角度，最后结合工业机器人示教手柄的工艺参数数据生成用于控制工业机器人的示教代码，解决了现有技术中工业机器人示教方法成本高、操作繁琐且存在安全隐患的技术问题，提供了一种低成本的、安全的、操作简易且高效的工业机器人示教方法。

参照图1，本发明中工业机器人示教方法，其采用手柄进行示教，包括：

分别获取所述手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据；

根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹；

根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度，并根据所述工业机器人各个关节的角度和所述工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。

具体的，通过位移传感器获取所述位置参数数据；所述位移传感器为拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器与所述手柄连接以获取所述位置参数数据；通过惯性传感器获取所述姿态参数数据，所述惯性传感器设置于所述手柄内以获取所述姿态参数数据；根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹具体包括：根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据获得所述示教手柄的位置和姿态，根据所述位置和所述姿态生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹；根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度具体包括：根据所述运动轨迹采用运动学求逆算法获得所述工业机器人各个关节的角度。

本发明的工业机器人示教方法与上述的工业机器人示教系统实现的过程原理可相互参照对应，在此不做过多赘述。其通过采用手柄进行示教，并分别获取手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据，再根据获取的数据生成工业机器人末端执行器的运动轨迹，再根据运动轨迹获得工业机器人各个关节的角度后，结合工艺参数数据生成用于控制工业机器人的示教代码；解决了现有技术中工业机器人示教方法成本高、操作繁琐且存在安全隐患的技术问题，提供了一种低成本的、安全的、操作简易且高效的工业机器人示教方法。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.工业机器人示教方法，其特征在于，采用手柄进行示教，包括：

分别获取所述手柄的位置参数数据、姿态参数数据和工艺参数数据；

根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹；

根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度，并根据所述工业机器人各个关节的角度和所述工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。

2.根据权利要求1所述的工业机器人示教方法，其特征在于，通过位移传感器获取所述位置参数数据。

3.根据权利要求2所述的工业机器人示教方法，其特征在于，所述位移传感器为拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器与所述手柄连接以获取所述位置参数数据。

4.根据权利要求1至3任一项所述的工业机器人示教方法，其特征在于，通过惯性传感器获取所述姿态参数数据，所述惯性传感器设置于所述手柄内以获取所述姿态参数数据。

5.根据权利要求1所述的工业机器人示教方法，其特征在于，根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹具体包括：

根据所述位置参数数据和所述姿态参数数据获得所述示教手柄的位置和姿态；

根据所述位置和所述姿态生成所述工业机器人末端执行器的运动轨迹。

6.根据权利要求1所述的工业机器人示教方法，其特征在于，根据所述运动轨迹获得所述工业机器人各个关节的角度具体包括：

根据所述运动轨迹采用运动学求逆算法获得所述工业机器人各个关节的角度。

7.工业机器人示教手柄，其特征在于，包括壳体、工艺参数数据获取模块、位置测量系统和姿态测量系统；

所述工艺参数数据获取模块设置于所述壳体的表面，用于获取所述工业机器人示教手柄产生的工艺参数数据；

所述位置测量系统与所述壳体连接，用于获取所述工业机器人示教手柄的位置参数数据；

所述姿态测量系统设置于所述壳体中，用于获取所述工业机器人示教手柄的姿态参数数据。

8.根据权利要求7所述的工业机器人示教手柄，其特征在于，所述位置测量系统包括至少一个拉线式传感器，所述拉线式传感器与所述壳体连接以获取所述位置参数数据。

9.根据权利要求7或8所述的工业机器人示教手柄，其特征在于，所述姿态测量系统包括至少一个惯性传感器，所述惯性传感器设置于所述壳体的内部以获取所述姿态参数数据。

10.工业机器人示教系统，其特征在于，包括如权利要求7至9任一项所述的工业机器人示教手柄、数据采集器、示教处理器、计算机；所述工艺参数数据获取模块的输出端、所述位置测量系统的输出端、所述姿态测量系统的输出端分别与所述数据采集器的输入端连接；所述数据采集器的输出端与所述示教处理器的输入端连接，所述示教处理器的输出端与所述计算机的输入端连接；

所述数据采集器用于采集所述工艺参数数据、所述位置参数数据和所述姿态参数数据；

所述示教处理器根据接收的所述位置参数数据和所述姿态参数数据生成所述工业机器人示教手柄的位置和姿态；

所述计算机接收所述工业机器人示教手柄的位置和姿态获得所述工业机器人各个关节的角度，并根据所述工业机器人各个关节的角度和所述工艺参数数据生成用于控制所述工业机器人的示教代码。

11.根据权利要求10所述的工业机器人示教系统，其特征在于，所述工业机器人示教系统还包括机器人控制器和机器人本体；所述计算机的输出端与所述机器人控制器的输入端连接，所述机器人控制器的输出端与所述机器人本体的输入端连接；所述机器人控制器根据所述计算机传输来的所述示教代码控制所述机器人本体的工作。