CN110799310B - 包括运动控制棒的改进的机器人训练系统 - Google Patents

Abstract

一种用于机器人(40)的示教系统，包括用于控制机器人(40)的运动控制棒(10)和利用该示教系统的机器人系统(400)。该示教系统包括第一控制器(10)，该第一控制器用于提供与运动相关的控制功能，以控制机器人(40)的运动。该示教系统还可以包括第二控制器(20)，该第二控制器用于提供除与运动相关的控制功能之外的控制功能，以编程机器人(40)的一个或多个动作的。

Description

包括运动控制棒的改进的机器人训练系统

交叉引用

本申请基于美国35U.S.C.§119(e)，要求临时专利申请序列号62/721,341，标题为“多用途、安全和灵活的机器人-人接口”的优先权，其于2018年8月22日提交，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请大体上涉及机器人控制技术领域，尤其是涉及用于机器人的训练系统、用于控制机器人的运动控制棒，以及实现该训练系统和运动控制棒的机器人系统。

背景技术

工业机器人系统通常配备有用于机器人控制和编程的示教器。由于示教器可以直接触发机器人运动，为了符合安全要求，示教器上通常必须包括紧急停止按钮、启动按钮和有线电缆连接。例如，图1描绘了一种机器人系统设置100，其包括连接到控制箱104的示教器102，控制箱104连接到机器人106。

额外的安全要求可要求示教器102可通过某些破坏性测试，例如跌落测试、翻滚测试和重载测试。因此，示教器102通常包括额外的保护层以满足这些安全要求，这通常导致示教器设计相当笨重。

这些安全要求还可能使得难以使用现有的用户接口(UI)设备，诸如电话和平板计算机。

发明内容

本申请提出了新颖的和创新的对机器人进行控制和编程的系统和方法，包括用于机器人系统示教器的新设计概念。这些系统和方法使示教器设计和配置具有灵活性，同时保持符合相关的安全要求。

在一个实施例中，提供了一种用于机器人的示教系统，该示教系统包括用于提供与运动相关的控制功能以控制机器人的运动的第一控制器和用于提供除与运动相关的控制功能之外的控制功能，以编程机器人的一个或多个动作。

在另一实施例中，第一控制器包括细长体和安装在细长体上的多个功能按钮。多个功能按钮可以包括紧急停止按钮和启动按钮，紧急停止按钮用于当被按压时停止机器人运动，启动按钮用于当被按压时使能机器人的移动。多个功能按钮还可以包括多功能按钮，该多功能按钮被配置为(i)控制机器人执行预编的运动相关功能，且被配置为(ii)可重编程的，使得预编的运动相关功能可以改变。多个功能按钮还可以包括用于将机器人在不同操作模式之间切换的旋转开关和用于基于从不同操作模式中选择的机器人的当前操作模式来执行相应功能的操纵杆。

在另一实施例中，机器人的不同操作模式包括空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式。

在另一实施例中，当机器人的当前操作模式是用户界面模式时，操纵杆用于作为遥控器控制第二控制器。

在另一实施例中，当机器人的当前操作模式是调试模式时，操纵杆用于提供对机器人的各个关节的直接操控。

在另一实施例中，示教系统还包括控制箱，用于接收来自第一控制器和第二控制器的用户输入，并且至少部分地基于用户输入生成用于控制机器人的控制指令。

在另一个实施例中，第一控制器通过电缆连接到控制箱。

在另一实施例中，第二控制器无线连接到控制箱。

在另一实施例中，第二控制器是移动电话或平板计算机。

在另一实施例中，第二控制器还包括用于将第一控制器附接到第二控制器的保持部件。

在另一实施例中，第一控制器通过第一控制器和机器人的末端执行器之间的机械互锁和/或磁互锁附接到机器人的末端执行器。

在另一实施例中，提供了一种用于控制机器人运动控制棒。运动控制棒可包括细长主体和安装在细长主体上的用于执行运动相关功能的多个功能按钮。多个功能按钮可以包括紧急停止按钮和启动按钮，紧急停止按钮用于当被按压时停止机器人的运动，启动按钮用于当被按压时使能机器人的移动。多个功能按钮还可以包括多功能按钮，该多功能按钮被配置为(i)控制机器人执行预编的运动相关功能，且被配置为(ii)可重编程的，使得预编的运动相关功能可以改变。多个功能按钮还可以包括用于将机器人在不同操作模式之间切换的旋转开关和用于基于从不同操作模式中选择的机器人的当前操作模式来执行相应功能的操纵杆。

在另一实施例中，机器人的不同操作模式包括空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式。

在另一个实施例中，当机器人的当前操作模式是用户界面模式时，操纵杆用于作为遥控器控制第二控制器。可替换地或附加地，当机器人的当前操作模式是调试模式时，操纵杆用于提供对机器人的各个关节的直接操控。

在另一实施例中，运动控制棒通过电缆与机器人通信连接。

在另一实施例中，提供了一种机器人系统，其包括至少一个子系统，至少一个子系统中的每个子系统包括机器人和用于生成用于机器人的控制指令的控制箱。至少一个子系统中的每个子系统还可以包括运动控制棒和无线用户接口，所述运动控制棒用于提供用于控制机器人运动的运动相关的控制功能，其中运动控制棒通过电缆与控制箱通信连接，所述无线用户接口能够以ad-hoc方式与至少一个子系统通信，并且用于提供除运动相关的控制功能之外的控制功能。

在另一实施例中，运动控制棒包括细长主体和安装在细长主体上的多个功能按钮。多个功能按钮可以包括紧急停止按钮和启动按钮，紧急停止按钮用于当被按压时立即停止机器人运动，启动按钮用于当被按压时使能机器人的移动。多个功能按钮还可以包括多功能按钮，该多功能按钮被配置为(i)控制机器人执行预编的运动相关功能，且被配置为(ii)可重编程的，使得预编的运动相关功能可以改变。多个功能按钮还可以包括用于将机器人在不同操作模式之间切换的旋转开关和用于基于从不同操作模式中选择的机器人的当前操作模式来执行相应功能的操纵杆。

在另一个实施例中，机器人的不同操作模式包括空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式。

在另一实施例中，当机器人的当前操作模式是用户界面模式时，操纵杆用于作为遥控器控制第二控制器。附加地或可替换地，当机器人的当前操作模式是调试模式时，操纵杆用于提供对机器人的各个关节的直接操控。

在另一实施例中，无线用户接口是移动电话或平板计算机。

在此描述的特征和优点不是包罗万象的，并且，特别地，鉴于附图和描述，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性目的而选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。

附图说明

为了更清楚地解释本申请的实施例中的技术方案，下面将简要描述在实施例的描述中使用的附图。以下描述中的附图仅仅是本申请的示例性实施例。对于本领域普通技术人员，也可以基于这些附图获得其他附图，而无需任何创造性的工作。

图1示出了相关技术的机器人系统。

图2示出了根据本申请的示例性实施例的运动控制棒的侧视图。

图3示出了根据本申请的示例性实施例的运动控制棒的主视图。

图4示出了根据本申请的示例性实施例的机器人系统。

图5到图7示出了根据本申请的一些实施例的运动控制棒、无线用户接口和机器人的额外配置。

图8示出了根据本申请的示例性实施例的多机器人系统。

图9示出了根据本申请的示例性实施例的视觉校准系统。

具体实施方式

现在将参考附图和示例详细描述本申请。如对本领域技术人员显而易见的，本申请中描述的实施例仅仅是示例性的，并且仅仅表示所有这样的实施例的子集。特别地，本领域普通技术人员在没有创造性努力的情况下基于本发明的实施例获得的所有其他实施例都落入本申请的范围内。

解决传统示教器问题的一种方法是将示教器替换为运动控制棒和无线用户接口(WLUI)，该WLUI被设计为提供与机器人系统中的示教器相同的功能。例如，直接触发机器人的运动的功能可以仅通过运动控制棒执行，而WLUI实现所有其他非运动相关功能。这种分开的实施方式可以符合示教器安全要求，同时也减少了由安全要求产生的设计约束。

图2和3描绘了根据本申请的示例性实施例的运动控制棒10。运动控制棒10可以按照安全要求控制机器人系统，并且还可以允许WLUI的直接操控。如图所示，运动控制棒10可以包括主体16和设置在主体16上的多个功能按钮。如图2所示，主体16可以具有细长的构造。功能按钮可以包括例如紧急停止按钮11、启动按钮12、多功能按钮13、旋转开关14和操纵杆15。

可以设置紧急停止按钮11以提高机器人系统的安全性。例如，按压紧急停止按钮11可以在紧急情况下停止(例如，立即停止)机器人系统(例如，机器人106)的所有移动。在某些实施方式中，紧急停止按钮11也可以是相关安全要求所要求的。

可以类似地提供启动按钮12以提高机器人系统的安全性。例如，机器人系统(例如，机器人106)的移动可以被禁止，直到启动按钮12被按下，并且可以在启动按钮12被释放时再次停止。在某些实施方式中，启用按钮12也可以是相关安全要求所要求的。

根据使用情况，多功能按钮13可以用于执行多个功能(例如，与移动相关的功能)。例如，多功能按钮13可以由WLUI重新编程。在某些实施方式中，多功能按钮13可被用于作为机器人系统的“开始”按钮，使机器人系统开始执行预编的功能。

旋转开关14可用于将机器人系统在不同操作模式之间切换。例如，它可以允许在空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式之间切换。

操纵杆15可以用于基于机器人系统的操作模式来执行多个功能。在一个实施方式中，操纵杆15可以在用户界面模式下作为遥控器控制WLUI，并且可以在调试模式下提供机器人系统的各个关节的直接操控。在另一实施方式中，操纵杆15可以在笛卡尔坐标下控制机器人系统的末端执行器。

图4描绘了根据本申请的示例性实施例的机器人系统400。机器人系统可以包括运动控制棒10、WLUI 20、控制箱30和机器人40。

控制箱30可作为机器人系统的中枢，在此接收所有用户输入(来自运动控制棒10或来自WLUI 20)，并且生成所有控制指令。机器人40可以是执行由用户指定的任务的机器人手臂。运动控制棒10可以通过电缆或电线连接到控制箱30，这可能是某些安全要求所要求的。有线连接可以提供比无线连接更稳定和可靠的连接，因此可能是某些安全规定所要求的。

相反，WLUI 20可以通过无线连接到控制箱30(例如，通过Wi-Fi)。由于WLUI 20的可能更紧凑的形式因素和无电缆的设计，这样的无线连接可以向用户提供更大的灵活性。在某些实施方式中，控制箱30和WLUI 20之间的无线连接还可以实现跨多个机器人系统400共享单个WLUI 20。用户能够在WLUI 20上执行类似于可以在常规示教器上执行的诸如编程、调试和监视之类的任务。

采用本设计，由于WLUI 20未执行诸如紧急停止按钮11和启用按钮12的安全相关特征，因此适用的安全要求诸如跌落测试和重放测试可能不太严格。这种安全要求的放松可以允许WLUI 20的更紧凑和优雅的设计。另一方面，由于与传统的示教器相比，运动控制棒10的重量更轻，因此运动控制棒10可以更容易地设计成满足相关的安全要求。

运动控制棒10还可以根据某些用户要求与WLUI 20或机器人40集成或一起存储。图5-7描绘了根据本申请的示例性实施例的运动控制棒10、WLUI 20和/或机器人40的若干这样的配置。可基于若干原因(包括便利性、美观性、安全性和整洁性)来选择其中一个配置。

在一个实施方式中，用户可能需要同时持有WLUI 20和运动控制棒10以控制和编程机器人。运动控制棒和WLUI因此可以通过运动控制棒-WLUI保持器连接在一起作为一个组件。例如，图5描绘了在WLUI 20旁边存储运动控制棒10的运动控制棒-WLUI保持器21。作为另一示例，图6描绘了将运动控制棒10存储在WLUI 20后面的运动控制棒-WLUI保持器22。尽管没有描绘，但在另一配置中，运动控制棒10可存储于WLUI 20的底部。

在进一步的实施方式中，用户可能需要用手移动或定位机器人40(即，在浮动模式中)。在这样的实施方式中，为了安全原因，可能必须一直保持运动控制棒10上的启动按钮11。实际上，这可能需要双手操作。为了解决该操控困难，可以将运动控制棒10附接到机器人40本身，如图7所描绘(例如，使用运动控制棒10和机器人40之间的机械互锁或磁互锁)。在这样的配置中，用户可以仅需要一只手来握住启动按钮11并且同时移动机器人40，这可以使得更容易在浮动模式下操作机器人40。

图8描绘了根据本申请的示例性实施例的多机器人系统800。多机器人系统800可以用于以ad-hoc方式将WLUI 20无线连接到不同的机器人系统802、804、806。例如，当需要对特定机器人系统进行编程、调试或维护时，用户可以将WLUI 20连接到特定机器人系统802、804、806，然后可以使用WLUI 20执行所需任务。这样的配置可以减少所需WLUI 20的总数，从而减少在现场(例如，在利用多个机器人的工厂中)部署的总成本。

对于消费者应用，智能手机或平板电脑也可作为WLUI 20，而不降低安全要求。这使得能够远程编程和控制机器人并且为用户带来额外的灵活性。

图9描绘了根据本申请的示例性实施例的视觉校准系统900。在如图所示的某些实施方式中，机器人系统902可包括附接到机器人40的末端执行器的末端执行器视觉系统42(例如，相机)和/或机器人系统902附近的单独相机。由于WLUI 20的便携性和与机器人系统902的实时无线连接，WLUI 20还可以用作机器人系统902的视觉校准设备。

例如，在一个实施例中，如图9所示，WLUI 20可以放置在机器人40的末端执行器视觉系统42的下方。图案23(例如，方格图案或类似图案)可以以已知的网格大小显示在WLUI20上。然后，末端执行器视觉系统42可以捕获WLUI20上的图案23，并且计算末端执行器相对于机器人系统902的相关联的运动学参数。另外，WLUI 20可以显示各种显示的图案，或者可以在分开的位置或分开的方向上校准，以实现更精确的校准结果。

此外，可以将全局视觉系统60放置在WLUI 20附近，以提供机器人系统902的整体视觉视图。利用相同的WLUI 20和图案23，可以使用如上所述的类似方法来校准全局视觉系统60。由于末端执行器视觉系统42和全局视觉系统60都相对于WLUI 20校准，因此可以相应地计算末端执行器视觉系统42和全局视觉系统60之间的相对位置。

在某些实施方式中，一个或多个夹具51、52可以用于在校准期间直接固定机器人40和WLUI 20之间以及全局视觉系统60和WLUI 20之间的相对位置。这可以实现机器人40、末端执行器视觉系统42和全局视觉系统60之间的更快和更方便的校准。

上述系统和方法具有以下一个或多个优点：(1)更灵活的示教器设计，具有相同的安全符合性水平；(2)用运动控制棒直接控制机器人系统；(3)降低机器人视觉系统校准难度；(4)减少现场示教器的数目；和(5)降低总成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种用于机器人的示教系统，包括：

第一控制器，用于提供与运动相关的控制功能，以控制所述机器人的运动；以及

第二控制器，用于提供除与所述运动相关的控制功能之外的控制功能，以编程机器人的一个或多个动作；

所述第一控制器包括细长主体和安装在所述细长主体上的多个功能按钮，所述多个功能按钮包括：

紧急停止按钮，用于当被按压时停止所述机器人的运动；

启动按钮，用于当被按压时使能所述机器人的移动；

多功能按钮，被配置为（i）控制所述机器人执行预编的运动相关功能，且被配置为（ii）可重编程的，使得所述预编的运动相关功能能够改变；

旋转开关，用于将所述机器人在不同操作模式之间切换；以及

操纵杆，用于基于从所述不同操作模式中选择的所述机器人的当前操作模式来执行相应功能；

所述机器人的所述不同操作模式包括空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式；

当所述机器人的所述当前操作模式是所述调试模式时，所述操纵杆用于提供对所述机器人的各个关节的直接操控。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述机器人的所述当前操作模式是所述用户界面模式时，所述操纵杆用于作为遥控器控制所述第二控制器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括控制箱，用于接收来自所述第一控制器和所述第二控制器的用户输入，并且至少部分地基于所述用户输入生成用于控制所述机器人的控制指令。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一控制器通过电缆连接到所述控制箱。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二控制器无线连接到所述控制箱。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二控制器是移动电话或平板计算机。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二控制器还包括用于将所述第一控制器附接到所述第二控制器的保持部件。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一控制器通过所述第一控制器与所述机器人的末端执行器之间的机械互锁和/或磁互锁附接到所述机器人的所述末端执行器。

9.一种用于控制机器人的运动控制棒，包括细长主体和安装在所述细长主体上的用于执行运动相关功能的多个功能按钮，其特征在于，所述多个功能按钮包括：

紧急停止按钮，用于当被按压时停止所述机器人的运动；

启动按钮，用于当被按压时使能所述机器人的移动；

多功能按钮，被配置为（i）控制所述机器人执行预编的运动相关功能，且被配置为（ii）可重编程的，使得所述预编的运动相关功能能够改变；

旋转开关，用于将所述机器人在不同操作模式之间切换；所述机器人的所述不同操作模式包括空闲模式、运行模式、浮动模式、调试模式和用户界面模式；以及

操纵杆，用于基于从所述不同操作模式中选择的所述机器人的当前操作模式来执行相应功能，当所述机器人的所述当前操作模式是所述调试模式时，所述操纵杆用于提供对所述机器人的各个关节的直接操控。

10.根据权利要求9所述的运动控制棒，其特征在于，当所述机器人的所述当前操作模式是所述用户界面模式时，所述操纵杆用于作为遥控器控制第二控制器。

11.根据权利要求9所述的运动控制棒，其特征在于，所述运动控制棒通过电缆与所述机器人通信连接。

12.一种机器人系统，包括：

至少一个子系统，包括：

机器人；

控制箱，用于生成用于所述机器人的控制指令；以及

根据权利要求9-11任意一项所述的运动控制棒，用于提供与运动相关的控制功能以控制所述机器人的运动，其中所述运动控制棒通过电缆与所述控制箱通信连接；以及

无线用户接口，所述无线用户接口能够以ad-hoc方式与所述至少一个子系统通信，并且用于提供除所述运动相关的控制功能之外的控制功能。

13.根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，所述无线用户接口是移动电话或平板计算机。

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