CN110497391A - 机械臂示教方法及机械臂示教装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别涉及一种机械臂示教方法及机械臂示教装置。本发明提供的机械臂示教方法将机械臂自身的参考工具坐标系作为参考工具坐标系，通过间接计算将示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的参考工具坐标下的矩阵转化成示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的世界坐标系下的矩阵，机械臂的控制系统获得该矩阵数据，即获得了示教数据，能够实现示教的轨迹、姿态或者轨迹和姿态计算方法简单，能够避免积分带来的误差的累计，只要得到等同工具坐标系相对参考工具坐标系的数据即可，从而能够使得测量简单。

Description

机械臂示教方法及机械臂示教装置

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别涉及一种机械臂示教方法及机械臂示教装置。

背景技术

随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展，工业机器人的需求越来越大。现在工业自动化生产中应用的机器人大都具有示教控制功能，可进行机器人语言编程，通过示教编程存储起来的工作程序可重复工作，适用于大批量的工业生产。

现有一种机械臂示教方法、装置及系统，采用惯性测量单元IMU采集的工作端在示教动作过程中的数据，惯性测量单元IMU测量的数据为积分数据，要求传感器有非常高的精度和处理速度，而且采集的数据为积分数据，误差会越来越大，导致采集的数据误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂示教方法及机械臂示教装置，以解决现有技术中的误差大的技术问题。

本发明提供一种机械臂示教方法，包括：

定义示教装置的末端的等同工具坐标系与机械臂的工具的末端的目标工具坐标系的原点和姿态均一致，将机械臂的另一个已知工具坐标系作为参考工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一；

根据所述矩阵一以及所述参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，获取所述等同工具坐标系在所述世界坐标系下的矩阵三，所述矩阵三即为所述目标工具坐标系在所述世界坐标系下的目标矩阵。

进一步地，所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一，具体包括：

定义示教装置的一个工具坐标系为测量工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四；

根据所述矩阵四以及所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系的几何关系，获得所述矩阵一。

进一步地，所述目标矩阵为位置矩阵，所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系重合；

所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四，具体包括：

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度以及所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位置矩阵。

进一步地，所述目标矩阵为位姿矩阵，所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系不同；

所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四，具体包括：

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位姿矩阵。

本发明提供一种机械臂示教装置，用于上述机械臂示教方法，包括：执行部；所述执行部用于安装在机械臂的腕部末端以沿预设轨迹运动；

控制器，所述控制器以所述执行部的末端为原点定义所述等同工具坐标系，并储存所述参考工具坐标系以及所述矩阵二；

所述执行部沿预设轨迹运动过程中，所述控制器获取所述矩阵一，并根据所述矩阵一和所述矩阵二，通过计算获得所述矩阵三，所述矩阵三即为所述目标矩阵。

进一步地，所述控制器还以所述执行部上的一个预设点为原点定义所述测量工具坐标系，所述控制器还储存所述等同工具坐标系和所述测量工具坐标系的几何关系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，所述控制器获取所述矩阵四，所述控制器根据所述矩阵四以及所述几何关系，通过计算获得所述矩阵一。

进一步地，机械臂示教装置还包括与所述控制器通讯连接的距离测量元件和角度测量组件；当所述目标矩阵为位置矩阵时，所述控制器定义所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系重合；

所述距离测量元件用于在示教装置沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度，并传输给所述控制器；

所述角度测量组件用于在示教装置沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，并传输给所述控制器；

所述控制器根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，利用坐标变换方法，计算得到所述矩阵四。

进一步地，机械臂示教装置还包括与所述控制器通讯连接的距离测量元件和角度测量组件；当所述目标矩阵为位姿矩阵时，所述控制器定义所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系不同；

所述距离测量元件用于在示教装置沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度，并传输给所述控制器；

所述角度测量组件用于在示教装置沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，并传输给所述控制器；

所述控制器根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，利用坐标变换方法，计算得到所述矩阵四。

进一步地，所述距离测量元件为所述拉绳编码器，所述拉绳编码器用于固定在机械臂的腕部，所述拉绳编码器的牵引线与所述执行部的所述预设点固定连接，所述拉绳编码器测得的所述牵引线的长度即为所述连线的长度。

进一步地，所述角度测量组件包括活动座和设置在所述活动座上的角度测量元件，所述活动座用于活动连接在机械臂的腕部，所述活动座能够至少沿第一转动中心线和第二转动中心线转动，所述牵引线的延伸方向过所述第一转动中心线和第二转动中心线的交点；

所述角度测量元件用于测量所述活动座分别沿所述第一转动中心线转动的第一角度和沿所述第一转动中心线转动的第二角度并将传输给所述控制器；

所述控制器定义所述参考工具坐标系中两个坐标轴分别与所述第一转动中心线和所述第二转动中心线重合，所述控制器将所述第一角度转化成所述牵引线相对所述参考工具坐标系的一个坐标轴的转动角度，将所述第二角度转化成所述牵引线相对所述参考工具坐标系的另一个坐标轴的转动角度。

本发明提供的机械臂示教方法通过定义示教装置的末端的工具坐标系(等同工具坐标系)与实际的安装在机械臂上的工具如焊接机器人的焊枪、涂胶机器人的胶枪、搬运机器人的夹具等的末端的工具坐标系(目标工具坐标系)的原点和姿态一致，示教装置与工具的结构等同，也就是说示教装置替换工具安装在机械臂上，测量出示教装置的运动的轨迹或者位姿，就可以得到工具的运动轨迹或者位姿。其中，矩阵可以为位置矩阵，也可以是位姿矩阵。

可手持或者通过遥控控制示教装置沿着预设轨迹(需要执行的轨迹)运动，在此过程中，等同工具坐标系相对参考工具坐标系一直在变化，通过测量获得等同工具坐标系在参考工具坐标系下的矩阵，而根据参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵，通过坐标转换可得到等同工具坐标系在世界坐标系下的矩阵，由于目标工具坐标系与等同工具坐标系的原点和姿态均一致，所以也就得到了等同工具坐标系在世界坐标系下的矩阵，机械臂的控制系统即获得了示教的轨迹或者位姿变化。

本发明提供的机械臂示教方法将机械臂自身的参考工具坐标系作为参考工具坐标系，通过间接计算将示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的参考工具坐标下的矩阵转化成示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的世界坐标系下的矩阵，机械臂的控制系统获得该矩阵数据，即获得了示教数据，能够实现示教的轨迹、姿态或者轨迹和姿态计算方法简单，能够避免积分带来的误差的累计，只要得到等同工具坐标系相对参考工具坐标系的数据即可，从而能够使得测量简单。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的示教装置的结构示意图；

图2是图1所示的示教装置中角度测量装置的结构示意图；

图3是图1所示的示教装置安装在机械臂上的结构示意图。

图中：1－机械臂；2－示教装置；10－执行部；20－距离测量元件；30－角度测量组件；40－连接件；31－安装座；32－活动座；33－第一角度测量元件；34－第二角度测量元件；35－第一轴；36－第二轴；00－世界坐标系；02－参考工具坐标系；03－等同工具坐标系；04－测量工具坐标系。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要说明的是，一般机械臂包括臂本体和安装在臂本体的末端用来加工的工具，如，焊接机器人的焊枪、涂胶机器人的胶枪或者搬运机器人的夹具等，臂本体与工具的连接部位可看成机械臂的腕部。

为方便描述位置向量或者位姿矩阵，将目标工具坐标系定义为第一工具坐标系，将参考工具坐标系定义为参考工具坐标系，将等同工具坐标系定义为第三工具坐标系，将测量工具坐标系定义为第四工具坐标系。

本发明提供一种机械臂示教方法，包括：

定义示教装置的末端的等同工具坐标系与机械臂的工具的末端的目标工具坐标系的原点和姿态均一致，将机械臂的另一个已知工具坐标系作为参考工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一；

根据所述矩阵一以及所述参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，获取所述等同工具坐标系在所述世界坐标系下的矩阵三，所述矩阵三即为所述目标工具坐标系在所述世界坐标系下的目标矩阵。

本实施例提供的机械臂示教方法通过定义示教装置的末端的工具坐标系(等同工具坐标系)与实际的安装在机械臂上的工具如焊接机器人的焊枪、涂胶机器人的胶枪、搬运机器人的夹具等的末端的工具坐标系(目标工具坐标系)的原点和姿态一致，示教装置与工具的结构等同，也就是说示教装置替换工具安装在机械臂上，测量出示教装置的运动的轨迹或者位姿，就可以得到工具的运动轨迹或者位姿。其中，矩阵可以为位置矩阵，也可以是位姿矩阵。

可手持或者通过遥控控制示教装置沿着预设轨迹(需要执行的轨迹)运动，在此过程中，等同工具坐标系相对参考工具坐标系一直在变化，通过测量手段可获得等同工具坐标系在参考工具坐标系下的矩阵一，而根据矩阵一和参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，通过坐标转换可得到等同工具坐标系在世界坐标系下的矩阵三，由于目标工具坐标系与等同工具坐标系的原点和姿态均一致，所以也就得到了目标工具坐标系在世界坐标系下的目标矩阵，将该目标矩阵储存在机械臂的控制系统内，机械臂的控制系统即获得了示教的轨迹或者位姿变化。

本实施例提供的机械臂示教方法将机械臂自身已知一个工具坐标系作为参考工具坐标系，通过间接计算将示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的参考工具坐标下的矩阵转化成示教装置末端的等同工具坐标系在机械臂的世界坐标系下的矩阵，机械臂的控制系统获得该矩阵数据，即获得了示教数据，能够实现示教的轨迹、姿态或者轨迹和姿态计算方法简单，能够避免积分带来的误差的累计，只要得到等同工具坐标系相对参考工具坐标系的数据即可，从而能够使得测量简单，对测量工具如传感器等装置的要求相对较低。

而且，将机械臂本身已知的参考工具坐标系作为参考工具坐标系，则可通过机械臂自身的定位功能进行定位，当机械臂位于工作位置附近后，才开始示教，可以使得示教行程短，进一步减少误差。

需要说明的是，参考工具坐标系可选取原点位于机械臂的腕部(即机械臂用于安装工具的位置)的工具坐标系。

机械臂的参考工具坐标系和世界坐标系均为已知坐标系。对机械臂进行示教，是为了当机械臂安装上工具后，机械臂能够控制工具实现相应的动作以完成相应的加工。

在上述实施例基础之上，进一步地，所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一，具体包括：

定义示教装置的一个工具坐标系为测量工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四；

根据所述矩阵四以及所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系的几何关系，获得所述矩阵一。

本实施例中，定义示教装置中的另一个工具坐标系为测量工具坐标系，将测量工具坐标系作为测量目标，然后获得测量工具坐标系在参考工具坐标系下的矩阵四，由于测量工具坐标系和等同工具坐标系均位于示教装置上，则两者之间存在一定的几何关系，根据两者的几何关系以及矩阵四，利用坐标变换方法，获得矩阵一。可根据需要通过测量工具坐标系来获得位置向量或者位姿矩阵。

目标矩阵可以为位置矩阵，即表达位置向量，也可以为位姿矩阵。下面以实施例具体说明目标矩阵为位置矩阵或者位姿矩阵的示教方法。

实施例1，目标矩阵为位置矩阵(向量)，即对工具轨迹的示教。

当目标矩阵为位置矩阵，测量工具坐标系和等同工作坐标系可以不同，即两者的原点和姿态均不相同。

作为一种可选方案，为了计算方便，测量工具坐标系与等同工具坐标系重合，即测量工具坐标系就是等同工具坐标系。

当目标矩阵为位置矩阵时，矩阵一、矩阵二、矩阵三和矩阵四均为位置矩阵(向量)。

具体示教方法包括：

定义示教装置的末端的等同工具坐标系与机械臂的工具的末端的目标工具坐标系的原点和姿态均一致，将机械臂的另一个已知工具坐标系作为参考工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度以及所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位置矩阵，所述矩阵四即为等同工具坐标系在参考工具坐标系下的矩阵一；

根据所述矩阵一以及所述参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，获取所述等同工具坐标系在所述世界坐标系下的矩阵三，所述矩阵三即为所述目标工具坐标系在所述世界坐标系下的目标矩阵。

需要说明的是，目标工具坐标系的原点对应的是工具的工具中心点，定义为TCP1；参考工具坐标系的原点对应的是机械臂腕部的工具中心点，定义为TCP2；等同工具坐标系的原点对应的是示教装置末端的工具中心点，定义为TCP3。

其中，参考工具坐标系的原点TCP2与等同工具坐标系的原点TCP3之间的连线与参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角分别为A1、A2和A3，三个夹角可以通过测量装置测得。

较佳地，通过测量装置测得任意两个角，如A1和A2，然后根据向量余弦公式cosα²+cosβ²+cosγ²＝1得到第三个的角如A3的值，能够使测量进一步简单。

本实施例中，根据测得的参数A1、A2、A3以及TCP2与TCP3连线的长度L1，即可得到由TCP2指向TCP3的向量数据，通过向量和坐标系计算，可得到等同工具坐标系的坐标原点TCP3在参考工具坐标系下的位置向量进而可得到在机械臂的世界坐标系下的位置向量即目标工具坐标系在机械臂的世界坐标系下的位置向量从而得到机械臂的示教轨迹。其中下标0代表世界坐标系，表示目标工具坐标系1需要到达的位置向量。

实施例2，目标矩阵为位姿(位置和姿态)，对工具姿态的示教。

目标矩阵为位姿矩阵时，矩阵一、矩阵二、矩阵三和矩阵四均为位姿矩阵。

具体示教方法包括：

定义示教装置的末端的等同工具坐标系与机械臂的工具的末端的目标工具坐标系的原点和姿态均一致，将机械臂的另一个已知工具坐标系作为参考工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位姿矩阵；

根据所述矩阵四以及所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系的几何关系，获得所述矩阵一；

根据所述矩阵一以及所述参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，获取所述等同工具坐标系在所述世界坐标系下的矩阵三，所述矩阵三即为所述目标工具坐标系在所述世界坐标系下的目标矩阵。

需要说明的是，目标工具坐标系的原点对应的是工具的工具中心点，定义为TCP1；参考工具坐标系的原点对应的是机械臂手腕处的工具中心点，定义为TCP2；等同工具坐标系的原点对应的是示教装置末端的工具中心点，定义为TCP3；测量工具坐标系的原点对应的是示教装置末端的工具中心点，定义为TCP4。

其中，参考工具坐标系的原点TCP2与测量工具坐标系的原点TCP4连线与参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角分别为A4、A5和A6，三个夹角可以通过测量装置测得。

较佳地，通过测量装置测得任意两个角，如A4和A5，然后根据向量余弦公式cosα²+cosβ²+cosγ²＝1得到第三个的角如A6的值，能够使测量进一步简单。

参考工具坐标系的原点TCP2与测量工具坐标系的原点TCP4连线与测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角分别为B4、B5和B6，三个夹角可以通过测量装置测得。

较佳地，通过测量装置测得任意两个角，如B4和B5，然后根据向量余弦公式cosα²+cosβ²+cosγ²＝1得到第三个的角如B6的值，能够使测量进一步简单。

测量工具坐标系可根据需要定义在示教装置的任一位置。

可选地，定义在示教装置的首端，即示教装置用于与机械臂连接的一端，方便测量。

本实施例中，根据获得参数A4、A5、A6、B4、B5、B6以及第二工具坐标系的原点TCP2与测量工具坐标系的原点TCP4连线的长度L2，根据已知机械臂的参考工具坐标系，通过坐标系转换计算，可得到测量工具坐标系在参考工具坐标系下的位姿矩阵

等同工具坐标系和测量工具坐标系均位于示教装置上，两者是静态关系，可以通过测量示教装置的几何参数和坐标变换得到等同工具坐标系在目标工具坐标系的位姿矩阵

又通过坐标系转换计算，可得到等同工具坐标系在参考工具坐标系下的位姿矩阵进而得到等同工具坐标系在世界坐标系下的位姿矩阵即目标工具坐标系在世界坐标系下的示教轨迹和姿态下标0代表世界坐标系，表示目标工具坐标系需要到达的位姿矩阵。

实施例3，一种能够用于实现上述机械臂示教方法的示教装置。

如图1至图3所示，本发明提供一种机械臂1示教装置2，包括：执行部10和控制器；执行部10用于安装在机械臂1的腕部以沿预设轨迹运动，控制器以执行部的末端为原点定义等同工具坐标系，并储存参考工具坐标系以及矩阵二；执行部沿预设轨迹运动过程中，控制器获取矩阵一，并根据矩阵一和矩阵二，通过计算获得矩阵三，矩阵三即为目标矩阵。

本实施中，预先在控制器内储存已知的世界坐标系00、参考工具坐标系02，参考工具坐标系02在世界坐标系00下的矩阵二，以执行部10的末端为原点定义等同工具坐标系03。示教过程中，执行部10按照预设的轨迹以及需要执行的动作运动，在运动过程中通过测量手段获得等同工具坐标系03在参考工具坐标系02下的矩阵一，控制器根据矩阵一、矩阵二以及坐标变换方法，计算得到等同工具坐标系在世界坐标系下的矩阵三，矩阵三即为目标矩阵。

本实施例提供的机械臂示教装置将机械臂自身已知一个工具坐标系作为参考工具坐标系，通过间接计算将执行部末端的等同工具坐标系在机械臂的参考工具坐标下的矩阵转化成执行部端的等同工具坐标系在机械臂的世界坐标系下的矩阵，机械臂的控制系统获得该矩阵数据，即获得了示教数据，能够实现示教的轨迹、姿态或者轨迹和姿态计算方法简单，能够避免积分带来的误差的累计，只要得到等同工具坐标系相对参考工具坐标系的数据即可，从而能够使得测量简单，对测量工具如传感器等装置的要求相对较低。

其中，执行部10可以为电控式，即通过遥控等控制执行部10按照预设轨迹(需要执行的轨迹)运动。可选地手动控制执行部10运动，快捷方便。

其中，实现测量等同工具坐标系03的坐标的测量方式有多种，例如：采用无线定位的方式测量来测量，具体地，在距离测量元件20和角度测量组件30集成在一个元件里如双旋转自由度激光测距仪，将多个双旋转自由度激光测距仪合理布置在测量空间中，在执行部10的TCP3上布置标靶，进行坐标测量时，多个双旋转自由度激光测距仪通过瞄准同一标靶，测距定位获取TCP3的精确坐标。

当然还可以采用其他已知测量方法获得坐标数据。

在上述实施例基础之上，进一步地，控制器还以执行部10上的一个预设点为原点定义测量工具坐标系04，控制器还储存等同工具坐标系和测量工具坐标系的几何关系；在示教装置沿预设轨迹运动过程中，控制器获取矩阵四，控制器根据矩阵四以及几何关系，通过计算获得矩阵一。

本实施例中，控制器定义执行部10的另一个工具坐标系为测量工具坐标系04，将测量工具坐标系04作为测量目标，然后获得测量工具坐标系04在参考工具坐标系02下的矩阵四，由于测量工具坐标系和等同工具坐标系均位于示教装置上，则两者之间存在一定的几何关系，控制器根据两者的几何关系以及矩阵四，利用坐标变换方法，获得矩阵一。可根据需要通过测量工具坐标系来获得位置向量或者位姿矩阵。

在上面实施例基础之上，下面具体说明当示教内容不同时，示教装置2的结构：

实施例3.1，只需要对机械臂1的轨迹进行示教，也就是测量工具末端的位置即可。

此时测量工具坐标系04可与等同工具坐标系03重合。机械臂示教装置还包括测量装置，测量装置包括与所述控制器通讯连接的距离测量元件20和角度测量组件30；距离测量元件20用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得参考工具坐标系02的原点与测量工具坐标系04的原点之间连线S1的长度L1，并传输给控制器；角度测量组件30用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得连线分别与参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及连线分别与测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，并传输给控制器，连线S1相对参考工具坐标系02的三个坐标轴的夹角分别为A1、A2和A3；控制器根据连线S1的长度L1、连线S1分别与参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及连线S1分别与测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，利用坐标变换方法，计算得到矩阵四。

本实施例中，控制器定义执行部10的末端的一个工具坐标系为等同工具坐标系03，且定义等同工具坐标系03与目标工具坐标系的原点和姿态均一致；控制器定义执行部10上的一个工具坐标系为测量工具坐标系04。

控制部可根据连线S1的长度L1、连线S1相对参考工具坐标系02的三个坐标轴的夹角分别为A1、A2和A3这四个参数以及已知的参考工具坐标系02，获得到等同工具坐标系03的坐标原点TCP3在参考工具坐标系02下的位置向量进而可得到在机械臂1的世界坐标系00下的位置向量即目标工具坐标系在机械臂1的世界坐标系00下的位置向量从而得到机械臂1的示教轨迹。示教装置2的控制部将最终得到的数据传输给机械臂1的控制器，从而实现示教。

需要说明的是，角度测量组件30用于测量连线S1与参考工具坐标系02的三个坐标轴的夹角，可以将三个夹角直接量出来，还可以通过量出两个夹角，通过向量余弦公式计算出另一个。

其中，角度测量装置只需测量连线S1与参考工具坐标系02的两个坐标轴的夹角即可，第三个夹角可通过计算获得。

距离测量元件20可以为多种，例如：位移传感器或者距离传感器等。

作为一种可选方案，距离测量元件20为拉绳编码器，拉绳编码器固定在机械臂1上，拉绳编码器的牵引线的自由端与执行部10的末端的点TCP3固定连接，则在执行部10的运动过程中，拉绳编码器的牵引线的长度在不断变化，从而能够实时测量出连线S1的长度。采用拉绳编码器测量精度高，而且拉绳编码器安装在机械臂1的手腕处，且其牵引线能够跟随执行部10一起运动，无需安装在示教装置2外，相对误差小。

拉绳编码器内可设置预紧装置，从而可以使拉绳编码器的牵引线可以回缩。

如图2所示，在上述实施例基础之上，进一步地，角度测量组件包括活动座32和设置在活动座32上的角度测量元件，活动座32用于活动连接在机械臂的腕部，活动座32能够至少沿第一转动中心线和第二转动中心线转动，牵引线的延伸方向过第一转动中心线和第二转动中心线的交点；角度测量元件用于测量活动座32分别沿第一转动中心线转动的第一角度和沿第一转动中心线转动的第二角度并将传输给控制器；控制器定义参考工具坐标系中两个坐标轴分别与第一转动中心线和第二转动中心线重合，控制器将第一角度转化成牵引线相对参考工具坐标系的一个坐标轴的转动角度，将第二角度转化成牵引线相对参考工具坐标系的另一个坐标轴的转动角度。

其中，活动座32可以直接活动连接在机械部的腕部。

可选地，活动座32与安装座31转动连接，且活动座32能够至少以第一转动中心线和第二转动中心线相对安装座31转动，角度测量组件通过安装座31与机械臂连接，方便安装，避免对机械臂加工而影响机械臂的整体性。

具体地，角度测量元件包括第一角度测量元件33和第二角度测量元件34；第一转动中心线与第二转动中心线垂直，第一转动中心线的与第二转动中心线的交点即为角度测量组件的转动中心；第一角度测量元件33用于测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，第二角度测量元件34用于测量活动座32沿第二转动中心线的转动角度。

角度测量组件30中的安装座31用于固定安装在机械臂1的TCP2处，且角度测量组件30的转动中心与参考工具坐标系02的原点重合；拉绳编码器固定在活动座32上，且拉绳编码器的牵引线与执行部10的末端固定连接，且拉绳编码器的牵引线的延伸方向穿过角度测量组件的转动中心。

本实施例中，在执行部10运动过程中，拉绳编码器的牵引线随着执行部10的运动而运动，从而带动与拉绳编码器固定连接的活动座32转动，活动座32可相对安装座31至少在两个方向上转动，第一转动中心线和第二转动中心线垂直，两者确定一个平面。

第一转动中心线与第二转动中心线相交点为整个角度测量组件30的转动中心。该转动中心线与参考工具坐标系02的原点重合，为了计算方便可定义第一转动中心线与第一坐标轴重合，第二转动中心线与第二坐标轴重合，然后根据右手坐标系，可定义出参考工具坐标系02的第三个坐标轴。拉绳编码器的牵引线相对活动座32位置固定，两个原点之间的牵引线段即为两个原点之间的连线。通过第一角度测量元件33测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第一转动中心线的角度，进而得到连线S1与参考工具坐标系02的第一坐标轴的夹角；同理，通过第二角度测量元件34测量活动座32沿第二转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第二转动中心线的角度，进而得到连线S1与参考工具坐标系02的第二坐标轴的夹角；控制部可通过计算获得连线S1与第三坐标轴的夹角。

其中，可以通过万向连接头实现活动座32与固定座的连接。

作为一种可选方案，如图2所示，角度测量组件30还包括第一轴35和第二轴36；第一轴35与安装座31转动连接，第二轴36垂直穿过第一轴35，活动座32与第二轴36固定连接；第一角度测量元件33用于测量第一轴35的转动角度，第二角度测量元件34用于测量第二轴36的转动角度。

本实施中，第一轴35与第一转动中心线重合，第二轴36与第二转动中心线重合，活动座32需要以第二转动中心线转动时，活动座32与第二轴36一起转动，活动座32需要以第一转动中心线转动时，第一轴35、第二轴36和活动座32一起转动。从而，第一轴的转动角度即是活动座以第一转动中心线转动的第一角度，第二轴的转动角度即是活动座以第二转动中心线转动的第二角度，这种结构简单，易加工，易实现。

在上述实施例基础之上，进一步地，第一角度测量元件33和第二角度测量元件34均可以采用角度传感器。

可选地，第一角度测量元件33和第二角度测量元件34采用能够测量角度位移的编码器，结构简单，检测精度高。如，旋转编码器和摆动编码器。

编码器可以通过齿轮与第一轴35或者第二轴36传动连接，以此来测量角度。

可选地，第一角度测量编码器与第一轴35同轴设置且同步转动设置，第二角度测量编码器与第二轴36同轴设置且同步转动设置，从而使角度测量组件30的结构紧凑，体积小。

在上述实施例基础之上，进一步地，机械臂示教装置包括L形连接件40，连接件的一端用于与机械臂固定连接，第一角度测量组件的安装座固定在连接件的一端，执行部10固定在连接件的另一端。方便安装测量装置，方便测量。

实施例3.2，对机械臂1的位姿的示教。

本实施例中，测量装置包括距离测量元件20和角度测量组件30；距离测量元件20用于测量参考工具坐标系02的原点与测量工具坐标系04之间的连线S2的长度L2并传输给控制器；角度测量组件30用于测量连线S2分别与参考工具坐标系02的三个坐标轴的夹角A以及连线S2分别与测量工具坐标系04的三个坐标轴的夹角B。连线S2与参考工具坐标系02的三个坐标轴的夹角分别为A4、A5和A6，连线S2与测量工具坐标系04的三个坐标轴的夹角分别为B4、B5和B6。

距离测量元件20可以为多种，例如：位移传感器或者距离传感器等。

作为一种可选方案，距离测量元件20为拉绳编码器，拉绳编码器固定在机械臂1上，拉绳编码器的牵引线的自由端与执行部10的末端的点TCP3固定连接，则在执行部10的运动过程中，拉绳编码器的牵引线的长度在不断变化，从而能够实时测量出连线S1的长度。采用拉绳编码器测量精度高，而且拉绳编码器安装在机械臂1的手腕处，且其牵引线能够跟随执行部10一起运动，无需安装在示教装置2外，相对误差小。

拉绳编码器内可设置预紧装置从而实现牵引线的回线。

如图2所示，在上述实施例基础之上，进一步地，角度测量组件包括活动座32和设置在活动座32上的角度测量元件，活动座32能够至少沿第一转动中心线和第二转动中心线转动，牵引线的延伸方向过第一转动中心线和第二转动中心线的交点；角度测量元件用于测量活动座32分别沿第一转动中心线转动的第一角度和沿第一转动中心线转动的第二角度并将传输给控制器。

在对位姿示教过程中，角度测量组件30需要两个，一个为第一角度测量组件，另一个为第二角度测量组件，第一角度测量组件的活动座活动连接在机械臂的腕部，且第一角度测量组件的转动中心与参考工具坐标系的原点重合，第二角度测量组件的活动座活动连接在执行部的预设点处，且第二角度测量组件的转动中心与测量工具坐标系的原点重合。拉线编码器的牵引线与第二角度测量组件的活动座32固定连接，且拉线编码器的牵引线的延伸方向穿过两个角度测量组件的转动中心。拉绳编码器的牵引线相对两个活动座32位置固定，两个原点之间的牵引线段即为两个原点之间的连线S2。

其中，活动座32可以直接活动连接在机械部的腕部或者执行部上。

可选地，活动座32与安装座31转动连接，且活动座32能够至少以第一转动中心线和第二转动中心线相对安装座31转动，第一角度测量组件通过安装座31与机械臂连接，第二角度测量组件通过安装座与执行部连接，方便安装，避免对机械臂或者执行部再次加工。

对于第一角度测量组件：

控制器定义参考工具坐标系中两个坐标轴分别与第一转动中心线和第二转动中心线重合，控制器将第一角度转化成牵引线相对参考工具坐标系的一个坐标轴的转动角度，将第二角度转化成牵引线相对参考工具坐标系的另一个坐标轴的转动角度。

具体地，角度测量元件包括第一角度测量元件33用于测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，第二角度测量元件34用于测量活动座32沿第二转动中心线的转动角度。

可定义第一角度测量组件30中的第一转动中心线与参考工具坐标系02的第一坐标轴重合，第二转动中心线与第二坐标轴重合，然后根据右手坐标系，可定义出参考工具坐标系02的第三个坐标轴。

通过第一角度测量组件中的第一角度测量元件33测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第一转动中心线的角度，进而得到连线S2与参考工具坐标系02的第一坐标轴的夹角；同理，通过第二角度测量元件34测量活动座32沿第二转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第二转动中心线的角度，进而得到连线S2与参考工具坐标系02的第二坐标轴的夹角；控制部可通过计算获得连线S2与第三坐标轴的夹角。

相对于第二角度测量组件：

控制器定义测量工具坐标系中两个坐标轴分别与第一转动中心线和第二转动中心线重合，控制器将第一角度转化成牵引线相对测量工具坐标系的一个坐标轴的转动角度，将第二角度转化成牵引线相对测量工具坐标系的另一个坐标轴的转动角度。

具体地，角度测量元件包括第一角度测量元件33用于测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，第二角度测量元件34用于测量活动座32沿第二转动中心线的转动角度。

可定义第二角度测量组件中的第一转动中心线与测量工具坐标系04的第一坐标轴重合，第二转动中心线与第二坐标轴重合，然后根据右手坐标系，可定义出测量工具坐标系04的第三个坐标轴。

拉绳编码器的牵引线同样会带动第二角度测量组件30中的活动座32活动，通过第一角度测量元件33测量活动座32沿第一转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第一转动中心线的角度，进而得到连线S2与测量工具坐标系04的第一坐标轴的夹角；同理，通过第二角度测量元件34测量活动座32以第二转动中心线的转动角度，从而得到牵引线段相对第二转动中心线的角度，进而得到连线S2与测量工具坐标系04的第二坐标轴的夹角；控制部可通过计算获得连线S2与第三坐标轴的夹角。

本实施例提供的示教装置2用于测量基本参数的装置结构简单，易实现。

其中，可以通过万向连接头实现活动座32与固定座的连接。

作为一种可选方案，如图2所示，角度测量组件30还包括第一轴35和第二轴36；第一轴35与安装座31转动连接，第二轴36垂直穿过第一轴35，活动座32与第二轴36固定连接；第一角度测量元件33用于测量第一轴35的转动角度，第二角度测量元件34用于测量第二轴36的转动角度。

本实施中，第一轴35即为第一转动中心线，第二轴36即为第二转动中心线，活动座32需要以第二转动中心线转动时，活动座32与第二轴36一起转动，活动座32需要以第一转动中心线转动时，第一轴35、第二轴36和活动座32一起转动。这种结构简单，易加工，易实现。

在上述实施例基础之上，进一步地，第一角度测量元件33和第二角度测量元件34均可以采用角度传感器。

可选地，第一角度测量元件33和第二角度测量元件34采用能够测量角度位移的编码器，结构简单，检测精度高。如，旋转编码器和摆动编码器。

编码器可以通过齿轮与第一轴35或者第二轴36传动连接，以此来测量角度。

可选地，第一角度测量编码器与第一轴35同轴设置且同步转动设置，第二角度测量编码器与第二轴36同轴设置且同步转动设置，从而使角度测量组件30的结构紧凑，体积小。

需要说明的是，当该控制部获得基本参数后，可通过坐标变换方法来是实现等同工具坐标系在世界坐标系下的矩阵表达。坐标变换是空间实体的位置描述，是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程。通过建立两个坐标系统之间一一对应关系来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管上述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。另外，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种机械臂示教方法，其特征在于，包括：

定义示教装置的末端的等同工具坐标系与机械臂的工具的末端的目标工具坐标系的原点和姿态均一致，将机械臂的另一个已知工具坐标系作为参考工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一；

根据所述矩阵一以及所述参考工具坐标系在世界坐标系下的矩阵二，获取所述等同工具坐标系在所述世界坐标系下的矩阵三，所述矩阵三即为所述目标工具坐标系在所述世界坐标系下的目标矩阵。

2.根据权利要求1所述的机械臂示教方法，其特征在于，所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取等同工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵一，具体包括：

定义示教装置的一个工具坐标系为测量工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四；

根据所述矩阵四以及所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系的几何关系，获得所述矩阵一。

3.根据权利要求2所述的机械臂示教方法，其特征在于，所述目标矩阵为位置矩阵，所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系重合；

所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四，具体包括：

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度以及所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位置矩阵。

4.根据权利要求2所述的机械臂示教方法，其特征在于，所述目标矩阵为位姿矩阵，所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系不同；

所述在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获取所述测量工具坐标系在所述参考工具坐标系下的矩阵四，具体包括：

在示教装置沿预设轨迹运动过程中，获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角；

根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，再利用坐标变换方法，得到所述矩阵四，所述矩阵四为位姿矩阵。

5.一种机械臂示教装置，用于如权利要求1－4中任一项所述机械臂示教方法，其特征在于，包括：执行部；所述执行部用于安装在机械臂的腕部末端以沿预设轨迹运动；

控制器，所述控制器以所述执行部的末端为原点定义所述等同工具坐标系，并储存所述参考工具坐标系以及所述矩阵二；

所述执行部沿预设轨迹运动过程中，所述控制器获取所述矩阵一，并根据所述矩阵一和所述矩阵二，通过计算获得所述矩阵三，所述矩阵三即为所述目标矩阵。

6.根据权利要求5所述的机械臂示教装置，其特征在于，所述控制器还以所述执行部上的一个预设点为原点定义测量工具坐标系，所述控制器还储存所述等同工具坐标系和所述测量工具坐标系的几何关系；

在执行部沿预设轨迹运动过程中，所述控制器获取所述矩阵四，所述控制器根据所述矩阵四以及所述几何关系，通过计算获得所述矩阵一。

7.根据权利要求6所述的机械臂示教装置，其特征在于，还包括与所述控制器通讯连接的距离测量元件和角度测量组件；当所述目标矩阵为位置矩阵时，所述控制器定义所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系重合；

所述距离测量元件用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度，并传输给所述控制器；

所述角度测量组件用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，并传输给所述控制器；

所述控制器根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角，利用坐标变换方法，计算得到所述矩阵四。

8.根据权利要求6所述的机械臂示教装置，其特征在于，还包括与所述控制器通讯连接的距离测量元件和角度测量组件；当所述目标矩阵为位姿矩阵时，所述控制器定义所述测量工具坐标系与所述等同工具坐标系不同；

所述距离测量元件用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述参考工具坐标系的原点与所述测量工具坐标系的原点之间连线的长度，并传输给所述控制器；

所述角度测量组件用于在执行部沿预设轨迹运动过程中，测量获得所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，并传输给所述控制器；

所述控制器根据所述连线的长度、所述连线分别与所述参考工具坐标系的三个坐标轴的夹角以及所述连线分别与所述测量工具坐标系的三个坐标轴的夹角，利用坐标变换方法，计算得到所述矩阵四。

9.根据权利要求7或8所述的机械臂示教装置，其特征在于，所述距离测量元件为拉绳编码器，所述拉绳编码器用于固定在机械臂的腕部，所述拉绳编码器的牵引线与所述执行部的所述预设点固定连接，所述拉绳编码器测得的所述牵引线的长度即为所述连线的长度。

10.根据权利要求9所述的机械臂示教装置，其特征在于，所述角度测量组件包括活动座和设置在所述活动座上的角度测量元件，所述活动座用于活动连接在机械臂的腕部，所述活动座能够至少沿第一转动中心线和第二转动中心线转动，所述牵引线的延伸方向过所述第一转动中心线和第二转动中心线的交点；

所述角度测量元件用于测量所述活动座分别沿所述第一转动中心线转动的第一角度和沿所述第一转动中心线转动的第二角度并将传输给所述控制器；

所述控制器定义所述参考工具坐标系中两个坐标轴分别与所述第一转动中心线和所述第二转动中心线重合，所述控制器将所述第一角度转化成所述牵引线相对所述参考工具坐标系的一个坐标轴的转动角度，将所述第二角度转化成所述牵引线相对所述参考工具坐标系的另一个坐标轴的转动角度。