CN111267090A - 一种双臂机器人主从控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双臂机器人主从控制系统及方法，涉及机器人技术领域，包括主机器人、从机器人、主控制器及从控制器，主机器人与从机器人是成尺寸比例的相同结构双臂机器人，通过主控制器转换并传达主机器人双臂关节位置信息至从控制器，从控制器通过两路分别传输左右臂关节位置信息至从机器人的左右臂，以同步控制从机器人；本发明通过主从同构的方式，即主机器人和从机器人的结构完全相同，只在尺寸上有所区别，只需要保证主机器人与从机器人的每个关节一一对应，即可实现从机器人对主机器人动作的复现，解决双臂机器人控制理论的复杂性，降低机器人操作门槛。

Description

一种双臂机器人主从控制系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种双臂机器人主从控制系统及方法。

背景技术

传统的单臂机器人已经在工业领域的各个方面得到了越来越广泛的应用。但是，随着机器人应用范围的不断扩大，各种新的操作任务和工作环境对机器人的性能提出了更高的要求。单臂机器人在操作能力、控制等方面的不足限制了其应用。与之相比，拥有协调操作能力的双臂机器人具有巨大的优越性和更广泛的应用场合。尤其面对一些复杂的操作任务，例如柔性装配等，双臂机器人的优势非常明显；

目前市场上的双臂机器人如ABB、KUKA等绝大部分机器人的运动都依赖于机器人运动学和动力学模型，其操作过程都是操作者通过操作按键或者遥感对机器人发出指令，然而，由于机器人具有较多的关节自由度，这种典型的操作方法较为复杂且不直观，其不仅需要对操作者在使用前进行大量培训，同时在使用过程中容易产生冗余操作乃至发生事故。

发明内容

本发明针对背景技术的问题提供一种双臂机器人主从控制系统及方法，解决双臂机器人控制理论复杂、操作门槛高等问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种双臂机器人主从控制系统，包括：主机器人、从机器人、主控制器及从控制器，所述的主机器人与从机器人是成尺寸比例的相同结构双臂机器人，通过主控制器转换并传达主机器人双臂关节位置信息至从控制器，从控制器通过两路分别传输左右臂关节位置信息至从机器人的左右臂，以同步控制从机器人。

优选地，所述的尺寸比例，具体为：主机器人尺寸：从机器人尺寸＝1：n，其中n为大于1的整数。

优选地，所述的主机器人，其各关节的数据采集装置为编码器。

优选地，所述的从机器人，其各关节的数据采集装置为电机。

优选地，所述的从控制器包括第一从控制器和第二从控制器，第一从控制器的输入端和第二从控制器的输入端均连接主控制器的输出端，第一从控制器的输出端连接从机器人的左/右臂，第二从控制器的输出端连接从机器人的右/左臂。

优选地，所述的主控制器定期采集主机器人各关节的位置信息，并将其按映射关系转换为从机器人的控制信息。

优选地，所述的第一从控制器和第二从控制器：均用于周期性采集从机器人的左/右臂关节位置信息，根据脉冲当量获取各关节的位置信息，并周期性与主控制器通讯，获取主机器人的左/右臂关节位置信息进行对比判断，进而调节从机器人关节旋转角度及速度以减小同步误差。

优选地，所述的映射关系，即将脉冲数转换为电机旋转角度。

本发明还提出一种双臂机器人主从控制方法，该方法基于成尺寸比例的相同结构的主机器人和从机器人进行控制，包括如下步骤：

控制主机器人动作并实时采集主机器人双臂各关节位置信息；

将主机器人双臂各关节位置信息映射转换为从机器人的各关节位置信息；

通过两路分别控制从机器人的左右双臂，以同步控制。

优选地，所述的通过两路分别控制从机器人的左右双臂，以同步控制步骤之后，还包括：

判断主机器人与从机器人各关节的角度是否一致，若是，则继续采集关节角度值，否则，调节从机器人的对应关节旋转角度及速度以较小角度误差。

传统的串联机器人的控制：操作人员想控制机器人运动到某一姿态，控制器里需要建立该机器人的运动学甚至是动力学模型，将笛卡尔空间坐标转换成关节坐标。该模型不仅复杂、计算量大，而且操作不够直观，对操作人员有一定的专业要求；本发明提出一种双臂机器人主从控制系统及方法，通过主从同构的方式，即主机器人和从机器人的结构完全相同，只在尺寸上有所区别，只需要保证主机器人与从机器人的每个关节一一对应，即可实现从机器人对主机器人动作的复现，解决双臂机器人控制理论的复杂性，降低机器人操作门槛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明第一优选实施例中双臂机器人主从控制系统；

图2为本发明第二优选实施例中机器人结构示意图，其中，图(a)为立体图，图(b)为主视图；

图3为本发明第三优选实施例中双臂机器人主从控制方法流程图；

图4为本发明第四优选实施例中双臂机器人主从控制方法流程图；

符号说明：

1表示底座；

2表示支架；

3表示骨架；

4，6，8，10，12，13，15，17，19，21表示1号电机至10号伺服电机；

5，7，9，11，14，16，18，20表示1至8号连接法兰；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种双臂机器人主从控制系统；

本发明第一优选实施例中，如图1所示，包括：主机器人、从机器人、主控制器及从控制器，所述的主机器人与从机器人是成尺寸比例的相同结构双臂机器人，通过主控制器转换并传达主机器人双臂关节位置信息至从控制器，从控制器通过两路分别传输左右臂关节位置信息至从机器人的左右臂，以同步控制从机器人；从控制器包括第一从控制器和第二从控制器，第一从控制器的输入端和第二从控制器的输入端均连接主控制器的输出端，第一从控制器的输出端连接从机器人的左/右臂，第二从控制器的输出端连接从机器人的右/左臂；

本发明实施例中，控制过程：当操作员对主机器人进行操作时，主机器人采集主机器人关节角度信号，并经过滤波处理，根据一定的映射关系(将脉冲数转换为电机旋转角度)，计算出从机器人每个关节的当前位置，通过通信的方式发送给第一从控制器和第二从控制器；从控制器根据命令，发送脉冲指令给对应的关节伺服，从而驱动关节旋转；本系统采用每个单臂配备一个从控制器的方案，这种模块化处理有利于其组装和调试；

本发明第二优选实施例中，在第一优选实施例的基础上对机器人的结构进一步的阐述，主机器人尺寸比从机器人尺寸＝1：50；结构相同，主机器人的每个关节位置处都安装有检测主机器人的主要部件的角位移传感器(编码器或电位器)，优选地选取在主机器人的关节处添加编码器；从机器人的各关节处安装有伺服电机；

本发明实施例中，如图2中图(a)和图(b)所示，建立如图(a)所示笛卡尔直角坐标系，对应在图(b)中有水平向左为X轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，垂直屏幕向外为Y轴正方向；由于双臂机器人为对称式结构，故以其左半边为例进行详细说明，右半边同理；将1底座，2支架，3骨架相互连接并固定后，电机4输出轴指向X轴正方向固定于骨架上；电机6通过法兰5与电机4相连，输出轴指向Y轴负方向，如此可完成关节绕X轴的旋转；电机8通过法兰7与电机6相连，输出轴指向Z轴负方向，如此可完成关节绕Y轴的旋转；电机10通过法兰9与电机8相连，输出轴指向X轴负方向，如此可完成关节绕Z轴的旋转；电机12通过法兰11与电机10相连，输出轴指向Z轴负方向，如此可完成关节绕X轴的旋转；最后将所需要的末端执行器连接在电机12的输出轴上，即可完成关节绕Z轴的旋转。

本发明实施例中，获取主机器人的每个关节当前的角度信息，然后控制从机器人的每个关节也旋转到当前角度；控制器的任务仅仅是保证主机器人的关节旋转角度与从机器人一致即可，也就是根据实际情况，发送一定数量的脉冲给驱动器即可；这种直接通过改变主机器人的姿态从而控制从机器人动作的方案，对于操作者来说仅需要一些简单的培训即可，具有操作直观便捷的特点；具体例如：

当操作员对主机器人进行操作时，主机器人的每个关节都会以一定的速度进行动作，主机器人上的编码器的轴也会同步动作，编码器会将此信息传递给主控制器；主机器人为每个臂各有5个关节，即每个臂都有5个编码器，共有10个编码器；假定左臂的编码器编号为LEnc1至LEnc5，右臂的编码器编号为REnc1至REnc5。主控制器会对这10个编码器的信号进行周期性采集，并进行处理；主机器人的绝对值编码器的输出信号为串行SII输出(其他类型的输出信号也满足条件，这不是本发明关注的重点)，控制器会周期性采集到每个编码器的位置信息。假设主控制器的采样周期为t，该关节原点时编码器的位置为PosHome，T时刻采集到某个编码器的位置为Pos[T]，T-1时刻采集到这个编码器的位置为Pos[T]，则可得到该关节T时刻的位置信息(Pos[T]-PosHome)和速度信息(Pos[T]-Pos[T-1])/t.注意，此时得到的位置信息的单位为脉冲数；主控制器会经过滤波处理，去除一些不必要的抖动，再根据脉冲当量将其转换为角度单位(°)，然后将左臂的5个编码器信息发送给从第一控制器，右臂的5个编码器信息发送给第二从控制器；

本发明还提出一种双臂机器人主从控制方法，该方法基于成尺寸比例的相同结构的主机器人和从机器人进行控制；

本发明第三优选实施例中，如图3所示，包括如下步骤：

S10、控制主机器人动作并实时采集主机器人双臂各关节位置信息；

S20、将主机器人双臂各关节位置信息映射转换为从机器人的各关节位置信息；

S30、通过两路分别控制从机器人的左右双臂，以同步控制；

S40、判断主机器人与从机器人各关节的角度是否一致，若是，则继续采集关节角度值，否则，调节从机器人的对应关节旋转角度及速度以较小角度误差。

本发明实施例中，从控制器会周期性采集从机器人的左臂关节信息，并根据脉冲当量计算出每个关节的位置信息，另一方面，该控制器会周期性与主控制器通信，获取主机器人的左臂关机信息，并进行对比判断，若某个关节的位置差超过一定的范围，则认为该关节发生了动作，即控制该关节的电机动作；从机器人的每个关节都会复现主机器人的每个关节的动作，从而实现机器人整体姿态的一致。

本发明第四优选实施例中，如图4所示，包括如下步骤：

S1、读取主机器人和从机器人的关节角度信息；

S2、从机器人的每个关节以设定的速度旋转到与主机器人的对应关节的相同位置；

S3、判断主从机器人的每个对应关节的角度是否一致，若是，则执行步骤S4，否则返回执行S2；

S4、主控制器读取主机器人的每个关节的角度和速度；

S5、主控制器对数据进行滤波处理，并发送给第一从控制器和第二从控制器；

S6、第一从控制器和第二从控制器读取从机器人的每个关节位置；

S7、判断对应每个关节的角度是否一致，若是，则返回执行步骤S4，否则执行步骤S8；

S8、从控制器控制各机械臂以相同的速度旋转到相同的位置；

S9、判断机器人的每个关节的动作是否完成，若是，则返回执行步骤S4，否则返回执行S8；

本发明通过主从同构的方式，即主机器人和从机器人的结构完全相同，只在尺寸上有所区别，只需要保证主机器人与从机器人的每个关节一一对应，即可实现从机器人对主机器人动作的复现，解决双臂机器人控制理论的复杂性，降低机器人操作门槛。

在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读取介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读取介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双臂机器人主从控制系统，其特征在于，包括：主机器人、从机器人、主控制器及从控制器，所述的主机器人与从机器人是成尺寸比例的相同结构双臂机器人，通过主控制器转换并传达主机器人双臂关节位置信息至从控制器，从控制器通过两路分别传输左右臂关节位置信息至从机器人的左右臂，以同步控制从机器人。

2.根据权利要求1所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的尺寸比例，具体为：主机器人尺寸：从机器人尺寸＝1：n，其中n为大于1的整数。

3.根据权利要求1所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的主机器人，其各关节的数据采集装置为编码器。

4.根据权利要求1所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的从机器人，其各关节的数据采集装置为电机。

5.根据权利要求1所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的从控制器包括第一从控制器和第二从控制器，第一从控制器的输入端和第二从控制器的输入端均连接主控制器的输出端，第一从控制器的输出端连接从机器人的左/右臂，第二从控制器的输出端连接从机器人的右/左臂。

6.根据权利要求1所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的主控制器定期采集主机器人各关节的位置信息，并将其按映射关系转换为从机器人的控制信息。

7.根据权利要求5所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的第一从控制器和第二从控制器：均用于周期性采集从机器人的左/右臂关节位置信息，根据脉冲当量获取各关节的位置信息，并周期性与主控制器通讯，获取主机器人的左/右臂关节位置信息进行对比判断，进而调节从机器人关节旋转角度及速度以减小同步误差。

8.根据权利要求6所述的双臂机器人主从控制系统，其特征在于，所述的映射关系，即将脉冲数转换为电机旋转角度。

9.一种双臂机器人主从控制方法，其特征在于，该方法基于成尺寸比例的相同结构的主机器人和从机器人进行控制，包括如下步骤：

控制主机器人动作并实时采集主机器人双臂各关节位置信息；

将主机器人双臂各关节位置信息映射转换为从机器人的各关节位置信息；

通过两路分别控制从机器人的左右双臂，以同步控制。

10.根据权利要求9所述的双臂机器人主从控制方法，其特征在于，所述的通过两路分别控制从机器人的左右双臂，以同步控制步骤之后，还包括：

判断主机器人与从机器人各关节的角度是否一致，若是，则继续采集关节角度值，否则，调节从机器人的对应关节旋转角度及速度以较小角度误差。

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