CN110666777A

CN110666777A - 示教方法及示教装置

Info

Publication number: CN110666777A
Application number: CN201910982864.0A
Authority: CN
Inventors: 徐鑫; 马庆国
Original assignee: Hunan Sany Kuaierju Housing Industry Co Ltd
Current assignee: Sany Construction Robot Xian Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CN110666777B

Abstract

本发明涉及一种示教方法及示教装置。示教方法包括定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系为固定工具坐标系，在示教装置的与机械手连接的固定端定义第一工具坐标系，且第一工具坐标系与固定工具坐标系重合，在示教装置的模拟工作端定义第二工具坐标系；在示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，使机械手的臂部跟随示教装置运动，利用机械手的自身定位系统记录机械手的移动轨迹；获得第二工具坐标系在第一工具坐标系下的位姿矩阵，从而获得第二工具坐标系在固定工具坐标系下的位姿矩阵；根据固定工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵，通过坐标系转换方法获得第二工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵。

Description

示教方法及示教装置

技术领域

本发明涉及机械手示教技术领域，特别涉及一种示教方法及示教装置。

背景技术

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。

常用的示教模式有由人工操作引导机械模拟装置(如示教器)来控制机器人的末端执行器位移到预设的作业点来完成预期的动作，机器人的存储器记录下机器人各个机械手的运行轨迹，形成示教文件。这种方式下机器人在示教过程中记录下大量的数据，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供示教方法及示教装置，以解决现有技术中的对机械手示教效率低的技术问题。

本发明提供一种示教方法，包括：定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系为固定工具坐标系，在示教装置的与所述机械手连接的固定端定义第一工具坐标系，且所述第一工具坐标系与所述固定工具坐标系重合，在所述示教装置的模拟工作端定义第二工具坐标系；

在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，使所述机械手的臂部跟随所述示教装置运动，利用机械手的自身定位系统记录机械手的移动轨迹；

获得所述第二工具坐标系在第一工具坐标系下的位姿矩阵，从而获得所述第二工具坐标系在所述固定工具坐标系下的位姿矩阵；

根据所述固定工具坐标系在所述机械手的世界坐标系下的位姿矩阵，通过坐标系转换方法获得所述第二工具坐标系在所述机械手的世界坐标系下的位姿矩阵。

进一步地，所述在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，使所述机械手跟随所述示教装置运动，具体包括：

在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，测量所述机械手的安装端与所述模拟工作端之间的距离；

当测量的距离值大于设定距离值时，控制所述机械手的臂部向靠近所述模拟工作端的方向移动。

进一步地，所述获得所述第二工具坐标系在所述第一工具坐标系下的位姿矩阵，从而获得所述第二工具坐标系在所述固定工具坐标系下的位姿矩阵具体包括，

在所述固定端以所述第一工具坐标系的原点为原点定义第三工具坐标系，在所述模拟工作端以所述第二工具坐标系的原点为原点定义第四工具坐标系，

获得所述第三工具坐标系在所述第一工具坐标系下的第一位姿矩阵，获得所述第四工具坐标系在所述第三工具坐标系下的第二位姿矩阵，获得所述第二工具坐标系在所述第四工具坐标系下的第三位姿矩阵，根据所述第一位姿矩阵、所述第二位姿矩阵和所述第三位姿矩阵通过坐标转换方法获得所述第二工具坐标系在所述第一工具坐标系的位姿矩阵。

进一步地，示教方法还包括，

设置所述示教装置能够相对所述机械手的安装端沿第一轴线转动和第二轴线转动，且第一轴线与第二轴线垂直；

定义所述第三工具坐标系的X轴与所述第一轴线重合，所述第三工具坐标系的Z轴与所述第三工具坐标系的原点和所述第四工具坐标系的原点之间的连线重合；

定义所述第四工具坐标系的X轴与所述第三工具坐标系的X轴平行，所述第四工具坐标系的Y轴与所述第三工具坐标系的Y轴平行，所述第四工具坐标系的Z轴与所述第三工具坐标系的Z轴重合。

进一步地，在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，测量所述第三工具坐标系的X轴相对所述第一工具坐标系的X轴的第一夹角、所述第三工具坐标系的Y轴相对所述第一工具坐标系的Y轴的第二夹角以及所述连线的长度L，根据所述第一夹角、所述第二夹角以及所述长度L得到所述第一位姿矩阵；

根据所述第四工具坐标系与所述第三工具坐标系之间的几何关系得到所述第二位姿矩阵；

测量所述第二工具坐标系的X轴相对所述第四工具坐标系的X轴的第三夹角、所述第二工具坐标系的Y轴相对所述第四工具坐标系的Y轴的第四夹角以及所述第二工具坐标系的Z轴相对所述第四工具坐标系的Z轴的第五夹角，根据所述第三夹角、所述第四夹角、所述第五夹角以及所述长度L获得所述第三位姿矩阵。

本发明提供一种示教装置，包括：固定部、连接件、模拟工作部、测量组件和跟随元件；所述连接件的一端与所述固定部转动连接，所述连接件的另一端与所述模拟工作部转动连接；以所述连接件与所述固定部转动连接的中心点为原点建立第一工具坐标系，以所述连接件和与所述模拟工作部转动连接的中心点为原点建立第二工具坐标系；

所述固定部用于固定在机械手的安装端，所述测量组件和所述跟随元件均用于与机械手的控制器通讯连接；所述测量组件用于测量用来获得所述第二工具坐标系在所述第一工具坐标系下的位姿矩阵所需的参数，所述跟随元件用于测量使机械手的安装端跟随所述模拟工作部运动所需的参数。

进一步地，所述连接件设置成可伸缩结构；所述跟随元件为距离测量元件，所述距离测量元件，用于测量所述机械手的安装端与所述模拟工作部之间的距离；

当测量的距离值大于设定距离值时，控制机械手的臂部向靠近所述模拟工作部的方向移动。

进一步地，所述固定部包括固定支座和设置在所述固定支座上的万向节结构，所述模拟工作部包括球铰结构，所述连接件连接在所述万向节结构和所述球铰结构之间，且所述连接件的延伸方向均穿过所述万向节结构的转动中心和所述球铰结构的转动中心；

以万向节结构的转动中心为原点分别建立所述第一工具坐标系和第三工具坐标系，以球铰结构的转动中心为原点分别建立所述第二工具坐标系和第四工具坐标系；

所述测量组件包括第一角度测量元件、第二角度测量元件和距离测量元件，所述第一角度测量元件用于测量所述第三工具坐标系的X轴相对所述第一工具坐标系的X轴的第一夹角、所述第三工具坐标系的Y轴相对所述第一工具坐标系的Y轴的第二夹角；所述第二角度测量元件用于测量所述第二工具坐标系的X轴相对所述第四工具坐标系的X轴的第三夹角、所述第二工具坐标系的Y轴相对所述第四工具坐标系的Y轴的第四夹角以及所述第二工具坐标系的Z轴相对所述第四工具坐标系的Z轴的第五夹角。

进一步地，所述第一角度测量元件为第一陀螺仪，所述第一陀螺仪安装在所述万向节结构上，且所述第一陀螺仪的中心与所述万向节结构的中心重合；

所述第二角度测量元件为第二陀螺仪，所述第二陀螺仪安装在所述球铰上，且所述第二陀螺仪的中心与所述球铰结构的中心重合。

进一步地，所述模拟工作部还包括手持件和模拟工作指针；所述球铰结构的支座呈立方体结构设置，所述连接件、所述手持件和所述模拟工作指针分别位于相互垂直的三个面，所述第二工具坐标系的X轴垂直指向所述手持件所在的面外，所述第二工具坐标系的Z轴垂直指向所述模拟工作指针所在的面外。

本发明提供的示教方法能够实现以下有益效果：

在使用本发明提供的示教方法进行示教时，将模拟实际加工工具的示教装置安装在机械手的安装端。定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系作为固定工具坐标系，定义示教装置的与机械手的安装端连接的固定端的一个工具坐标系为第一工具坐标系，且第一工具坐标系与固定工具坐标系重合，定义示教装置的模拟工作端的一个工具坐标系为第二工具坐标系。

驱动示教装置的模拟工作端沿预设轨迹以预设动作运动，从而模拟实际需要实现的加工轨迹和加工姿态。在此过程中，保持机械手的臂部跟随示教装置的运动而运动，在机械手的臂部跟随示教装置运动过程中，利用机械手自身的定位系统对机械手的臂部的移动位置进行定位，从而形成机械手的臂部在示教过程中的移动轨迹。

获得第二工具坐标系在第一工具坐标系下的位姿矩阵后，也就获得了第二工具坐标系现在固定工具坐标系下位姿矩阵，而固定工具坐标系在机械手的世界坐标系的位姿矩阵为已知量，从而通过坐标转换方法可获得第二工具坐标系在机械手的世界坐标系下位姿矩阵，将该位姿矩阵储存在机械手的控制器内，并与机械手自身的定位系统获取的机械手的臂部的移动轨迹数据整合，从而完成示教，机械手获得了加工工具完成预设工作需要实现的运动轨迹和姿态。

本发明提供的示教方法，以机械手的已知工具坐标为参考，依托机械手本身的定位精度为基础，测量示教装置在机械手工具坐标下的运动轨迹和位姿，通过坐标变换关系，最终得到示教运动轨迹和姿态参数。一方面本发明提供的示教方法通过间接测量以及坐标系转换实现示教，计算量小，记录过程简单，工作效率高；另一方面，以机械手本身的定位精度为基础，则能够实现测量的量程小，测量方便，且能够容易控制误差，从而提高测量精度。

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所示的示教装置中固定部的结构示意图；

图3是图1所示的示教装置中模拟工作部的结构示意图；

图4是图1所示的示教装置的工具坐标系的示意图。

图中：10－固定部；20－连接件；30－模拟工作部；50－距离测量元件；11－固定支座；12－万向节结构；121－支架；122－支座；123－第一轴；124－第二轴；31－球铰结构；32－手持件；33－模拟工作指针；41－第一陀螺仪；01－第一工具坐标系；02－第二工具坐标系；03－第三工具坐标系；04－第四工具坐标系。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，本申请所述的“机械手的安装端”也可以理解为机械手的手腕部，也就是说机械手包括臂部和手部，臂部的末端即安装端用来安装手部，机械手的手部为实际加工工具，例如焊枪或者胶枪等等。

需要说明的是，示教装置模拟的是实际加工工具，在示教装置的固定端存在转动中心，在模拟工作端也存在转动中心，从而才能实现模拟工作端轨迹和姿态的变化。

需要说明的是，坐标系较佳采用球坐标，从而能够使测量的值均为实际值，减少计算过程，有利于提高示教精度。

需要说明的是，“机械手的安装端与模拟工作端之间的距离”、“机械手的安装端与模拟工作部之间的距离”均可以理解为，第三工具坐标系的原点和第四工具坐标系的原点之间的连线长度。

本发明提供一种示教方法，包括：定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系为固定工具坐标系，在示教装置的与机械手连接的固定端定义第一工具坐标系，且第一工具坐标系与固定工具坐标系重合，在示教装置的模拟工作端定义第二工具坐标系；

在示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，使机械手跟随示教装置运动，利用机械手的自身定位系统记录机械手的移动轨迹；

获得第二工具坐标系在第一工具坐标系下的位姿矩阵，即第二工具坐标系在固定工具坐标系下的位姿矩阵；

根据固定工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵，通过坐标系转换方法获得第二工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵。

在使用本实施例提供的示教方法进行示教时，将模拟实际加工工具的示教装置安装在机械手的安装端。定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系作为固定工具坐标系，定义示教装置的与机械手的安装端连接的固定端的一个工具坐标系为第一工具坐标系，且第一工具坐标系与固定工具坐标系重合，定义示教装置的模拟工作端的一个工具坐标系为第二工具坐标系。

驱动示教装置的模拟工作端沿预设轨迹以预设动作运动，从而模拟实际需要实现的加工轨迹和加工姿态。在此过程中，保持机械手的臂部跟随示教装置的运动而运动。

在机械手的臂部跟随示教装置运动过程中，利用机械手自身的定位系统对机械手的臂部的移动位置进行定位，从而形成机械手的臂部在示教过程中的移动轨迹。

本实施例提供的示教方法，以机械手的已知工具坐标为参考，依托机械手本身的定位精度为基础，测量示教装置在机械手工具坐标下的运动轨迹和位姿，通过坐标变换关系，最终得到示教运动轨迹和姿态参数。一方面本实施例提供的示教方法通过间接测量以及坐标系转换实现示教，计算量小，记录过程简单，工作效率高；另一方面，以机械手本身的定位精度为基础，则能够实现测量的量程小，测量方便，且能够容易控制误差，从而提高测量精度。

其中，驱动示教装置的模拟工作端运动，可以通过在示教装置上设置控制器通过输入指令或者采用遥控等方式，以电动方式驱动；较佳的是通过手持示教装置的模拟工作端来实现驱动，这样既方便驱动又能够时刻对模拟工作端的运动状态进行灵活调整。

实现机械手的臂部跟随示教装置的运动而运动的方式可以为多种，例如：采用激光测距传感器来检测示教装置的位置和方位，测距传感器与机械手的控制器通讯连接，控制器根据测距传感器的反馈控制机械手的臂部运动以实现跟随。

又如：在示教过程中，可以采用拉力反馈来实现机械手的臂部始终跟随示教装置的运动而运动，可设置拉力测量元件来实现实时测量拉力，可设置拉力检测元件与机械手的控制器通讯连接，从而将测量到的拉力值传输给控制器，当拉力值大于设定压力值时，控制器控制机械手的臂部向靠近模拟工作端的方向移动，当拉力值小于设定压力时，控制器控制机械手的臂部向远离模拟工作端的方向移动，从而使得机械手与示教装置之间时刻保持拉紧状态。当然，拉力检测元件采用高频反馈的元件，检测反馈更灵敏，更有利于实现机械手的跟随示教装置运动。

作为一种可选方案，在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，测量所述机械手的安装端与所述示教装置之间的距离，当测量到的距离值大于设定距离值时，控制所述机械手的臂部向靠近所述模拟工作端的方向移动。

本实施例中，当测量到的机械手的安装端与示教装置的模拟工作端之间的距离大于设定距离(可根据机械手的运动范围、定位精度来设置)时，机械手的控制器控制机械手的臂部向靠近示教装置的模拟工作端方向运动，从而能够实现使两者之间的距离维持在设定距离值内。这种测量方式能够避免两者之间的距离过长时，对示教装置的测量误差大，保障测量精度，从而保障示教准确度。

在上述实施例基础之上，进一步地，获得第二工具坐标系在第一工具坐标系下的位姿矩阵，具体包括：在固定端以第一工具坐标系的原点为原点定义第三工具坐标系，在模拟工作端以第二工具坐标系的原点为原点定义第四工具坐标系；获得第三工具坐标系在第一工具坐标系下的第一位姿矩阵，获得第四工具坐标系在第三工具坐标系下的第二位姿矩阵，获得第二工具坐标系在第四工具坐标系下的第三位姿矩阵，根据第一位姿矩阵、第二位姿矩阵和第三位姿矩阵通过坐标转换方法获得第二工具坐标系在第一工具坐标系的位姿矩阵。

本实施例中，可以通过第三位姿矩阵、第二位姿矩阵以及坐标转换方法得到第二工具坐标系在第三工具坐标系下的第四位姿矩阵，再根据第四位姿矩阵、第一位姿矩阵和坐标转换方法获得第二工具坐标系在第一工具坐标系下的第五位姿矩阵，再根据第五位姿矩阵、固定工具坐标系在世界坐标系下的已知位姿矩阵以及坐标系转换方法获得最终的用于示教的位姿矩阵。

其中，可通过设置检测元件来得到用来获得第一位姿矩阵、第二位姿矩阵和第三位姿矩阵的参数，如，第三工具坐标系的X轴相对第一工具坐标系的X轴的第一夹角，第三工具坐标系的Y轴相对第一工具坐标系的Y轴的第二夹角，又如第二工具坐标系的X轴相对于第四工具坐标系的X轴的第三夹角、第二工具坐标系的Y轴相对于第四工具坐标系的Y轴的第四夹角、第二工具坐标系的Z轴相对于第四工具坐标系的Z轴的第四夹角；再如，固定端的转动中心与模拟工作端的转动中心之间的连线的长度(也就是第三工具坐标系的原点与第四工具坐标系的原点之间的距离)。

可选地，设置示教装置能够相对机械手的安装端沿第一轴线转动和第二轴线转动，且第一轴线与第二轴线垂直；定义第三工具坐标系的X轴与第一轴线重合，第三工具坐标系的Z轴与第三工具坐标系的原点与第四工具坐标系的原点之间的连线S重合；定义第四工具坐标系的X轴与第三工具坐标系的X轴平行，第四工具坐标系的Y轴与第三工具坐标系的Y轴平行，第四工具坐标系的Z轴与第三工具坐标系的Z轴重合。

本实施例中，定义第三工具坐标系的X轴与固定端的第一轴线重合，且在示教过程中，第三工具坐标系能够跟随连线S的位置的变化而变化，Z轴始终与连线S重合，第一轴线也能跟随连线S的位置的变化而变化，则在示教过程中，测量到第一轴线和第二轴线的转动角度，通过计算就可以得到第三工具坐标系的X轴相对于第一工具坐标系的X轴的第一夹角，可以得到第三工具坐标系的Y轴相对于第一工具坐标系的Y轴的第二夹角。方便测量，方便计算，从而能够进一步提高效率提高示教精度。

第四工具坐标系的X轴与第三工具坐标系的X轴平行，第四工具坐标系的Y轴与第三工具坐标系的Y轴平行，第四工具坐标系的Z轴与第三工具坐标系的轴重合，也可以理解为第三工具坐标系沿连线L平移至模拟工作端从而形成第四工具坐标系，则方便计算得到第二位姿矩阵。

具体地，在示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，测量第三工具坐标系的X轴相对第一工具坐标系的X轴的第一夹角、第三工具坐标系的Y轴相对第一工具坐标系的Y轴的第二夹角以及连线S的长度L，根据第一夹角、第二夹角和长度L得到第一位姿矩阵，测量第二工具坐标系的X轴相对第四工具坐标系的X轴的第三夹角、第二工具坐标系的Y轴相对第四工具坐标系的Y轴的第四夹角、第二工具坐标系的Z轴相对第四工具坐标系的Z轴的第五夹角以及连线S的长度L，根据第三夹角、第四夹角、第五夹角和长度L获得第三位姿矩阵。根据第四工具坐标系与第三工具坐标系之间的几何关系(长度L)得到第二位姿矩阵。

本发明还提供一种示教装置，用于实现上述示教方法。

如图1至图4所示，示教装置包括：固定部10、连接件20、模拟工作部30、测量组件和跟随元件；连接件20的一端与固定部10转动连接，另一端与模拟工作部30转动连接；以连接件20与固定部10转动连接的中心点为原点建立第一工具坐标系01，以连接杆和与模拟工作部30转动连接的中心点为原点建立第二工具坐标系02；固定部10用于固定在机械手的安装端，测量组件和跟随元件均与机械手的控制器通讯连接；测量组件用于测量用来获得第二工具坐标系02在第一工具坐标系01下的位姿矩阵所需的参数，跟随元件用于测量实现机械手的安装端跟随模拟工作部30运动所需的参数。定义第一工具坐标系01与机械手的安装端的固定工具坐标系重合。

在使用本实施例提供的示教装置并采用上述示教方法进行示教过程中，将固定部10(也就是上文的固定端)与机械手的安装端连接，从而将示教装置安装在机械手上；然后驱动模拟工作部30沿预设轨迹以预设姿态运动。在此过程中，测量组件测量测量用来获得第二工具坐标系02在第一工具坐标系01下的位姿矩阵所需的参数，从而最终获得第二工具坐标系02在第一工具坐标系01下的位姿矩阵；跟随元件用于测量实现机械手的安装端跟随模拟工作部30运动所需的参数，从而实现机械手的臂部跟随示教装置运动。在机械手的臂部跟随示教装置运动过程中，利用机械手自身的定位系统对机械手的臂部的移动位置进行定位，从而形成机械手的臂部在示教过程中的移动轨迹。

获得第二工具坐标系02在第一工具坐标系01下的位姿矩阵后，也就获得了第二工具坐标系02现在固定工具坐标系下位姿矩阵，而固定工具坐标系在机械手的世界坐标系的位姿矩阵为已知量，从而通过坐标转换方法可获得第二工具坐标系02在机械手的世界坐标系下位姿矩阵，将该位姿矩阵储存在机械手的控制器内，并与机械手自身的定位系统获取的机械手的臂部的移动轨迹数据整合，从而完成示教，机械手获得了加工工具完成预设工作需要实现的运动轨迹和姿态。

本实施例提供的示教装置，能够实现以机械手的已知工具坐标为参考，依托机械手本身的定位精度为基础，测量示教装置在机械手工具坐标下的运动轨迹和位姿，通过坐标变换关系，最终得到示教运动轨迹和姿态参数的施教方法。一方面本实施例提供的示教方法通过间接测量以及坐标系转换实现示教，计算量小，记录过程简单，工作效率高；另一方面，以机械手本身的定位精度为基础，则能够实现测量的量程小，能够容易控制误差，从而提高测量精度。

其中，跟随元件可以为激光测距传感器，采用激光测距传感器来检测示教装置的位置和方位，测距传感器与机械手的控制器通讯连接，控制器根据测距传感器的反馈控制机械手的臂部运动以实现跟随。

或者，跟随元件为拉力传感器，拉力传感器安装在固定部上，用于测量连接件20对固定部的拉力，从而测量连接件20对机械手的安装端的拉力；当测量到的拉力值大于设定拉力值时，控制机械手的臂部向靠近模拟工作部的方向移动；当测量到的拉力值小于设定拉力值时，控制机械手的臂部向远离模拟工作部的方向运动。

本实施例中，采用拉力反馈来实现机械手的臂部始终跟随示教装置的运动而运动，可设置拉力传感器与机械手的控制器通讯连接，从而将测量到的拉力值传输给控制器，当拉力值大于设定压力值时，控制器控制机械手的臂部向靠近模拟工作部的方向移动，当拉力值小于设定压力时，控制器控制机械手的臂部向远离模拟工作部的方向移动，从而使得机械手的安装端与示教装置之间时刻保持拉紧状态。

作为一种可选方案，连接件设置成可伸缩结构，所述跟随元件为距离测量元件50，距离测量元件50用于测量机械手的安装端与模拟工作部之间的距离，当测量到的距离值大于设定距离值时，控制所述机械手的臂部向靠近所述示教装置的方向移动。

本实施例中，当测量到的机械手的安装端与示教装置的模拟工作部之间的距离大于设定距离(可根据机械手的运动范围、定位精度来设置)时，机械手的控制器控制机械手的臂部向靠近示教装置的模拟工作部的方向运动，从而能够实现使两者之间的距离维持在设定距离值范围内。这种测量方式能够避免两者之间的距离过长时，对示教装置的测量误差大，保障测量精度，从而保障示教准确度。

其中，距离测量元件可以采用光学距离传感器、红外距离传感器或者超声波距离传感器等。

较佳地，距离测量元件采用拉绳编码器，通过拉绳编码器的伸缩绳的变化来实现测量机械手的安装端与模拟工作部之间的距离。一方面拉绳编码器的测量精确度高，测量灵敏。另一方面，拉绳编码器的伸缩绳可以作为连接件，拉绳编码器的固定端固定在固定部上，另一端与模拟工作部连接，在实现模拟工作部与固定部连接的前提下，减少示教装置的部件。

如图1至图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，固定部10包括支座122固定支座11和设置在支座122固定支座11上的万向节结构12，模拟工作部30包括球铰结构31，连接件20连接在万向节结构12和球铰结构31的支座122之间，且连接件20的延伸方向均穿过万向节的转动中心和球铰的转动中心；以万向节结构12的转动中心为原点分别建立第一工具坐标系01和第三工具坐标系03，以球铰结构31的转动中心为原点分别建立第二工具坐标系02和第四工具坐标系04；测量组件包括第一角度测量元件和第二角度测量元件，第一角度测量元件用于测量第三工具坐标系03的X轴相对第一工具坐标系01的X轴的第一夹角、第三工具坐标系03的Y轴相对第一工具坐标系01的Y轴的第二夹角；第二角度测量元件用于测量第二工具坐标系02的X轴相对第四工具坐标系04的X轴的第三夹角、第二工具坐标系02的Y轴相对第四工具坐标系04的Y轴的第四夹角以及第二工具坐标系02的Z轴相对第四工具坐标系04的Z轴的第五夹角。

本实施例中，万向节结构12包括相互垂直的第一轴123和第二轴124，从而实现连接件20能够与固定部转动连接，且在两个方向上转动，具体地，万向节结构12包括支架121(如U形支架121)、支座122、第一转轴和第二转轴；其中，第一转轴的两端均与支架121转动连接，第二转轴穿过第一转轴设置，且第二转轴的一端与支座122转动连接，支座122与固定支架121连接。

其中，连接件20分别与支架121和球铰结构31固定连接，连接件20可以为刚性的连接杆或者连接柱；但是当柔性连接线等连接件20始终处于绷紧状态时，也可视为固定连接。

以万向节结构12的转动中心为原点分别建立第一工具坐标系01和第三工具坐标系03，且第三工具坐标系03的X轴与第一轴123重合，第三工具坐标系03的Z轴与连接件20的延伸方向重合，以球铰的转动中心为原点分别建立第二工具坐标系02和第四工具坐标系04，第四工具坐标系04的X轴与第三工具坐标系03的X轴平行，第四工具坐标系04的Y轴与第三工具坐标系03的Y轴平行，第四工具坐标系04的Z轴与第三工具坐标系03的Z轴重合，实现第三工具坐标系03平移至球铰结构31的中心处。

本实施例提供的示教装置能够自身完成对位姿矩阵所需参数的测量，能够实现在驱动模拟工作部30沿预设轨迹以预设姿态运动过程中，就完成测量和数据的采集，而且机械手的控制器也能同步计算换算，提高获得示教数据的速度。

其中，第一角度测量元件可以采用角度传感器，通过测量第一轴123和第二轴124的转动角度，然后换算成第三工具坐标系03的X轴相对第一工具坐标系01的X轴的夹角，第三工具坐标系03的Y轴相对第一工具坐标系01的Y轴的夹角(可采用两个，分别检测两个个轴的转动角度)。

第二角度测量元件也可以为角度传感器，此时需要在球铰结构31的支座122上设置与第四工具坐标系04的X轴、Y轴和Z轴分别重合的三个轴，三轴的延长线相较于球铰结构31的中心，角度传感器用来测量三个轴的转动角度，从而换算得到所需夹角(可采用三个，分别检测三个轴的转动角度)。

可选地，第一角度测量元件为第一陀螺仪41，第一陀螺仪41安装在万向节结构12上，且第一陀螺仪41的中心与万向节结构的中心重合；第二角度测量元件为第二陀螺仪，第二陀螺仪安装在球铰结构上，且第二陀螺仪的中心与球铰结构的中心重合。

本实施中，第一角度测量元件和第二角度测量元件均采用陀螺仪，陀螺仪的结构紧凑，从而能够使得示教装置的结构紧凑，避免其体积过大；陀螺仪的测量快捷准确，从而能够实现可实现简易、快速、精细的示教。

如图1和图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，模拟工作部30还包括手持件32和模拟工作指针33；球铰的支座122呈立方体结构设置，连接件20、手持件和模拟工作指针33分别位于相互垂直的三个面，第二工具坐标系02的X轴垂直指向手持件32所在的面外，第二工具坐标系02的Z轴垂直指向模拟工作指针33所在的面外。

本实施例中，在球铰结构31的支座122上设置手持件32方便人们手握从而方便手动驱动模拟工作部30运动。设置模拟工作指针33是为了模拟加工工具的末端工具头。

定义第二工具坐标系02的X轴垂直指向手持件32所在的面外，第二工具坐标系02的Z轴垂直指向模拟工作指针33所在的面外，从而方便计算。

当第二工具坐标系02的X轴与手持件的中心轴线重合，第二工具坐标系02的Z轴与模拟工作指针的中心线重合，也可在另一个面上设置轴与第二工具坐标系02的Y轴重合，则手持件、模拟工作指针和轴可以作为第二陀螺仪的测量参照，或者将手持件、模拟工作指针作为参照，另一个也随之确定。

需要说明的是，第二工具坐标系02的原点位于球铰结构31的中心，如果要得到模拟工作指针33的末端的工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵，通过模拟工作指针33的几何尺寸，通过坐标换算就可得到工作指针的末端的工具坐标系在第二工具坐标系02下的位姿矩阵，从而通过转换得到模拟工作指针33的末端的工具坐标系在机械手的世界坐标系下的位姿矩阵。

以上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。例如，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

1.一种示教方法，其特征在于，包括：定义机械手的安装端的一个已知工具坐标系为固定工具坐标系，在示教装置的与所述机械手连接的固定端定义第一工具坐标系，且所述第一工具坐标系与所述固定工具坐标系重合，在所述示教装置的模拟工作端定义第二工具坐标系；

2.根据权利要求1所述的示教方法，其特征在于，所述在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，使所述机械手跟随所述示教装置运动，具体包括：

3.根据权利要求1所述的示教方法，其特征在于，所述获得所述第二工具坐标系在所述第一工具坐标系下的位姿矩阵，从而获得所述第二工具坐标系在所述固定工具坐标系下的位姿矩阵具体包括，

4.根据权利要求3所述的示教方法，其特征在于，还包括，

5.根据权利要求4所述的示教方法，其特征在于，在所述示教装置沿预设轨迹以预设动作运动过程中，测量所述第三工具坐标系的X轴相对所述第一工具坐标系的X轴的第一夹角、所述第三工具坐标系的Y轴相对所述第一工具坐标系的Y轴的第二夹角以及所述连线的长度L，根据所述第一夹角、所述第二夹角以及所述长度L得到所述第一位姿矩阵；

6.一种示教装置，其特征在于，包括：固定部、连接件、模拟工作部、测量组件和跟随元件；所述连接件的一端与所述固定部转动连接，所述连接件的另一端与所述模拟工作部转动连接；以所述连接件与所述固定部转动连接的中心点为原点建立第一工具坐标系，以所述连接件和与所述模拟工作部转动连接的中心点为原点建立第二工具坐标系；

7.根据权利要求6所述的示教装置，其特征在于，所述连接件设置成可伸缩结构；所述跟随元件为距离测量元件，所述距离测量元件，用于测量所述机械手的安装端与所述模拟工作部之间的距离；

8.根据权利要求7所述的示教装置，其特征在于，所述固定部包括固定支座和设置在所述固定支座上的万向节结构，所述模拟工作部包括球铰结构，所述连接件连接在所述万向节结构和所述球铰结构之间，且所述连接件的延伸方向均穿过所述万向节结构的转动中心和所述球铰结构的转动中心；

9.根据权利要求8所述的示教装置，其特征在于，所述第一角度测量元件为第一陀螺仪，所述第一陀螺仪安装在所述万向节结构上，且所述第一陀螺仪的中心与所述万向节结构的中心重合；

10.根据权利要求9所述的示教装置，其特征在于，所述模拟工作部还包括手持件和模拟工作指针；所述球铰结构的支座呈立方体结构设置，所述连接件、所述手持件和所述模拟工作指针分别位于相互垂直的三个面，所述第二工具坐标系的X轴垂直指向所述手持件所在的面外，所述第二工具坐标系的Z轴垂直指向所述模拟工作指针所在的面外。