CN111409079B - 一种工业级机械臂的多联及互联控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：包括机械臂，机械臂设置一台以上；机械臂上设置有控制主板、机械手、及力扭矩传感模块；机械手受控于控制主板；力扭矩传感模块上的受力端与机械手连接，力扭矩传感模块通讯连接控制主板；客户终端设备，用于把一台以上机械臂的动作数据互联起来、以建立相应的控制网络；客户终端设备分别与一台以上机械臂沟通互联；电脑伺服器，用于根据控制指令和/或动作数据向一台以上机械臂下发相应任务；电脑伺服器与客户终端设备沟通互联。本系统能使系统中任意机械臂控制其他机械臂，实现一对多控制，且能及时反馈被控制方的受力情况，以方便操控员操作控制，加强实用性。

Description

一种工业级机械臂的多联及互联控制系统

技术领域

本发明涉及一种机械人控制系统，具体是一种工业级机械臂的多联及互联控制系统。

背景技术

对于机械臂的控制现阶段主要有电脑编程控制和控制器实时操控等控制方式；其中，电脑编程控制虽然准确度很高，但编程难度大，使用起来（特别是需要更改动作时等特殊情况）非常不方便，而且编程工作需要专业人员完成，投入成本较高；控制器实时操控虽然相对于电脑编程控制来说精确度较低，但操控、使用起来则比较方便、简单、容易，而且投入成本较低。

控制器实时操控中应用最广泛的原理技术是动作传感技术，即操控员穿戴具多个传感模块的控制器，并做出相要编程的动作，传感模块把与操控员做出动作对应的动作数据储存并传送到机械臂，使机械臂实时跟从操控员的动作，进而达到实时控制的效果。但由于机械臀与人手臂之间存在一定的差异，如机械臂与人手臂之间的关节长短、大小很不同，所以机械臂很难精准地把操控员的动作模仿出来。此外，控制器实时操控的控制方式中，一对一控制（一个控制器控制一台机械臂）还算容易，但一对多控制（一个控制器控制多台机械臂）则很难实现，所以就现阶段的技术而言，要控制多台机械臂的，则需要配备与机械臂数量相同的操控员和控制器、且需要同时操作，或者需要用电脑编程才能达到一对多的控制效果；这是因为现有机械臂控制系统中，只有操控端与机械臂之间有数据传输，机械臀与机械臂之间则没有互联沟通，导致机械臂不能相互之间控制和模仿。

因此，需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种工业级机械臂的多联及互联控制系统，本系统能使系统中任意机械臂控制其他机械臂，实现一对多控制，且能及时反馈被控制方的受力情况，以方便操控员操作控制，加强实用性。

本发明的目的是这样实现的：

一种工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：包括

机械臂，所述机械臂设置一台以上；所述机械臂上设置有用于控制机械臂作业和/或用于传输动作数据的控制主板、用于执取物件的机械手、及用于探测机械臂的受力状况的力扭矩传感模块；所述机械手受控于控制主板；所述力扭矩传感模块上的受力端与机械手连接，力扭矩传感模块通讯连接控制主板；

客户终端设备，用于把一台以上机械臂的动作数据互联起来、以建立相应的控制网络；所述客户终端设备分别与一台以上所述机械臂沟通互联；

电脑伺服器，用于根据控制指令和/或动作数据向一台以上机械臂下发相应任务；所述电脑伺服器与客户终端设备沟通互联。

所述控制主板和/或电脑伺服器上设置有用于储存动作数据的数据库。

所述动作数据包括受力力度数据、受力方向数据、关节点的转动角度数据，关节点的转动速度数据。

所述沟通互联的连接方式包括有线通讯连接和/或无线通讯连接。

所述多联控制系统的控制模式包括

一对多控制，以操控员或一台机械臂作为控制方，以一台以上机械臂作为被控制方，一个控制方同时和/或同步控制一个以上被控制方；

和/或，助力驱动控制，根据外力辅助控制机械臂移动和/或停止；

和/或，力反馈控制，根据被控制方的受力情况，以一定比例反馈至控制方。

所述一对多控制包括以下控制步骤：

①以穿戴有控制器的操控员作为控制方；或者，在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为控制方；

②在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为被控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为被控制方；

③控制方完成要求的动作，以生成相应的第一动作数据反馈至控制主板上，第一动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

④电脑伺服器对第一动作数据进行分析、计算处理后生成相应的控制数据，并将该控制数据传输至一个以上被控制方上，以使一个以上被控制方同时和/或同步完成相应的动作。

所述助力驱动控制包括以下控制步骤：

（1）当机械臂受外力作用时，力扭矩传感模块感应机械臂的受力情况，以生成相应的第二动作数据反馈至控制主板上，第二动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

（2）电脑伺服器对第二动作数据进行分析、计算处理后生成相应的助力数据，并将该助力数据反馈至相应机械臂的控制主板上；

（3）控制主板根据助力数据控制所在的机械臂活动，以辅助控制机械臂完成相应的动作。

所述力反馈控制包括以下控制步骤：

（一）当被控制方工作过程中受到阻力作用时，力扭矩传感模块感应受到的阻力情况，以生成相应的第三动作数据并反馈至控制主板上，第三动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

（二）电脑伺服器对第三动作数据进行分析、计算处理后生成相应的阻力数据，并将该阻力数据反馈至控制方上；

（三）控制器根据阻力数据限制操控员的活动或者控制主板根据阻力数据限制机械臂活动，以便控制方同时感应到被控制方受到阻力作用。

被控制方工作过程中受到的阻力按一定比例反馈在控制方上，反馈的比例在控制主板和/或电脑伺服器上设置。

本发明的有益效果如下：

本系统能让系统中任意机械臂对其他机械臂进行精准控制，使控制方可对一台以上机械臂同时、同步控制。应用范围包括多台机械臂之间的拖动示教，即机械臂能进行人手拖动，能记录机械臂运动，并可重播机械臂运动；机械臂与电脑伺服器之间可通过有线或无线等方式实现相互同步多联沟通。

此外，通过设置力扭矩传感模块可使机械臂在触摸到物件或障碍物时有即时的反馈和调节，方便操作控制，提高控制灵活度；由于力扭矩传感模块可实时反映机械臂的受力情况，如当机械臂触碰到障碍物或有负载时，系统可调节拖动所需的力度和范围，从而增加操控真实感，以便操控员更好的完成相关动作。

附图说明

图1为本发明一实施例中多联及互联控制系统的架构图。

图2为本发明一实施例中机械臂的结构示意图。

图3为本发明一实施例中力扭矩传感模块可探测受力方向的示意图。

图4为本发明一实施例中机械臂被拖动的示意图。

图5为本发明一实施例中控制方与被控制方之间力反馈的示意图。

图6为本发明一实施例中机械臂受倾斜向上的力的示意图。

图7为图6中机械臂受力的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图7，本工业级机械臂的多联及互联控制系统，包括

机械臂，机械臂设置一台以上；机械臂上设置有用于控制机械臂作业和/或用于传输动作数据的控制主板、用于执取物件的机械手、及用于探测机械臂的受力状况的力扭矩传感模块；机械手受控于控制主板；力扭矩传感模块上的受力端与机械手连接，且连接在机械臂与机械手之间，也可探测机械手触摸到物件、拿着物件、及拖动示教等时的受力状况，如图5所示，本实施例中的力扭矩传感模块的受力端为底部，可探测受力方向包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、及扭动方向等，力扭矩传感模块通讯连接控制主板；具体地，机械臂可以是市面上常规的同类设备，控制主板主要用于对机械臂上的硬件进行控制，把控制指令中涉及的速度、角度、力度等参数有效的输入或输出机械臂；

客户终端设备（CPE），用于把一台以上机械臂的动作数据互联起来、以建立相应的控制网络；客户终端设备分别与一台以上机械臂沟通互联；

电脑伺服器，用于根据控制指令和/或动作数据向一台以上机械臂下发相应任务；电脑伺服器与客户终端设备沟通互联。

进一步地，控制主板和/或电脑伺服器上设置有用于储存动作数据的数据库，以便控制主板和/或电脑伺服器进行动作数据的传输，本数据记录功能可储存操控员的动作记录至云端，具有节省电脑编程时间和提高效率的特点。

进一步地，动作数据包括受力力度数据、受力方向数据、关节点的转动角度数据，关节点的转动速度数据等。

进一步地，沟通互联的连接方式包括有线通讯连接和/或无线通讯连接。具体地，客户终端设备通过5G（或4G或3G等）无线通讯技术分别无线连接机械臂上的控制主板和电脑伺服器。本实施例涉及的客户终端设备相当于一台WIFI增强的路由器，能把所有机械臂通过5G网络互联起来，并连接到电脑伺服器。支持5G网络的客户终端设备可接收5G网络信号，并以此建立一个无线网络，还可以把5G信号进行二次中继，发出更强的5G信号，使用5G网络进行控制互联，延时便会下降至最少，方便做一些即时控制，拖动示教等。需要说明的是，使用有线连接的方式延时更低，但局限了应用范围，用户可根据实际需要选择有线或无线连接。

进一步地，多联控制系统的控制模式包括

一对多控制，以操控员或一台机械臂作为控制方，以一台以上机械臂作为被控制方，一个控制方同时和/或同步控制一个以上被控制方；

和/或，助力驱动控制，根据外力辅助控制机械臂移动和/或停止；

和/或，力反馈控制，根据被控制方的受力情况，以一定比例反馈至控制方。

进一步地，一对多控制包括以下控制步骤：

① 以穿戴有控制器的操控员作为控制方；或者，在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为控制方；

② 在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为被控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为被控制方；

③ 控制方完成要求的动作，以生成相应的第一动作数据反馈至控制主板上，第一动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

④ 电脑伺服器对第一动作数据进行分析、计算处理后生成相应的控制数据，并将该控制数据传输至一个以上被控制方上，以使一个以上被控制方同时和/或同步完成相应的动作。

拖动示教是指用手驱动机械臂活动，以便控制机械臂被拖动而做出一系列动作，并将每一个关节点在被拖动期间每一个时间点转动的角度大小和转动速度均记录下来，以便后期重复播放该动作，相关的动作数据储存在控制主板上的数据库（内存）中。实际应用中，拖动示教可以由操控员实现，也可以是其中一台机械臂（控制方）控制其他一台以上机械臂（被控制方）实现；通过装载于电脑伺服器上的软件截面输入或由机械臂上的控制主板输入再传送到伺服器等方式，可选择任意一台机械臂可作为控制方、任意一台以上机械臂作为被控制方，操作使用十分方便；若没有事先设定控制方和被控制方，系统会以预设的方式运行（即任意一台机械臂被拖动，系统中其余互联的机械臂都可跟住移动，实现同时/同步控制）。

进一步地，助力驱动控制包括以下控制步骤：

（1）当机械臂受外力作用时，力扭矩传感模块感应机械臂的受力情况，以生成相应的第二动作数据反馈至控制主板上，第二动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

（2）电脑伺服器对第二动作数据进行分析、计算处理后生成相应的助力数据，并将该助力数据反馈至相应机械臂的控制主板上；

（3）控制主板根据助力数据控制所在的机械臂活动，以辅助控制机械臂完成相应的动作。

实际应用中，力扭矩传感模块可有效增加机械臂的可控性，使控制时更加流畅和安全；拖动机械臂时，由于机械臂自身具有一定重量，所以现有技术中要拖动它是比较吃力的，为解决上述问题，本系统根据力扭矩传感模块反馈的受力方向、受力力度等数据发挥助力作用。如图4所示，机械臂受到水平拖动力A作用，此时力扭矩传感模块会感应到机械臂向被拖动方向活动，该受力拖动信息反馈至控制主板上，该受力拖动信息包括拖动力度和拖动反向等，通过一系列算法生成水平向前的动作数据；然后将该动作数据反馈至机械臂的控制主板，以控制其水平向前移动。具体效果是，当被施力方向被施力方向移动一定位置时，被施力方就会随着移动减少受力或不在感受到施力，通过力扭矩传感模块实时检测相应的动作数据，而后通过算法不断产生一个平衡或抵消施力的动作，以实现轻松拖动控制，使机械臂上的关节电机配合被拖动方向而做出相应的转动，使机械臂可轻松被拖动至需要位置。

进一步地，力反馈控制包括以下控制步骤：

（一）当被控制方工作过程中受到阻力作用时，力扭矩传感模块感应受到的阻力情况，以生成相应的第三动作数据并反馈至控制主板上，第三动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

（二）电脑伺服器对第三动作数据进行分析、计算处理后生成相应的阻力数据，并将该阻力数据反馈至控制方上；

（三）控制器根据阻力数据限制操控员的活动或者控制主板根据阻力数据限制机械臂活动，以便控制方同时感应到被控制方受到阻力作用。

进一步地，被控制方工作过程中受到的阻力按一定比例反馈在控制方上，反馈的比例在控制主板和/或电脑伺服器上设置。

力扭矩传感模块在机械臂执取物件时发挥重要作用；当被控制方的机械手刚接触到物件时，被控制方上的力扭矩传感模块就会产生相应的动作数据，使控制方在拖动时要抵消的施力上再加上一个经过算法得出的力，这样控制方便要施加额外的力去拖动机械臂，从而使控制方感受到被控制方执取物件的重力；这个额外施加的力可调节比重，使拖动会增加太大负担。如图5所示，当被控制方（图中右侧的机械臂）拿起一公斤的物件时，控制方（图中左侧的机械臂）是没有受到外力作用的（除自身的重力外），此时被控制方上的力扭矩传感模块会感应到源自物件的一公斤重力，相关的受力信息经电脑伺服器处理后最终按一定比例传输至控制方上，以在被控制方上施加额外的力，使控制方可感受到被控制方已经拿起物件；具体地，物件本身受到一公斤的重力C，当控制方要控制被控制方向上移动时，被控制方需要施加一公斤向上的力拿起物件，电脑伺服器通过算法得出一个与重力C相应的起始施加力F0并传输至控制方上，控制方需要先施加向上的力以抵消起始施加力F0才能控制被控制方拿起物件，这个起始施加力F0能让控制方感受到被控制方拿起物件，从而增加了操控感。起始施加力F0与重力C之间的比例可通过编程改变设置，如起始施加力F0与重力C之比为1：100或1000等。由于控制方拿起物件的力总是向下，而被控制方可以是任何方向，那么系统上的算法就按照被拖加的力去乘以一个方向系数去抵消这个起始施加力F0，从而使拖动时所感受到的受力情况变得更加真实；如图6和图7所示，任何方向的最小拖动力F1的垂直方向向量必须先抵消起始施加力F0才可以拖动被控制方，样任何方向所需最小拖动力F1就会不一样，增加操控真实感，其中F0-F1·cosθ≥0。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：包括

机械臂，所述机械臂设置一台以上；所述机械臂上设置有用于控制机械臂作业和/或用于传输动作数据的控制主板、用于执取物件的机械手、及用于探测机械臂的受力状况的力扭矩传感模块；所述机械手受控于控制主板；所述力扭矩传感模块上的受力端与机械手连接，力扭矩传感模块通讯连接控制主板；

客户终端设备，用于把一台以上机械臂的动作数据互联起来、以建立相应的控制网络；所述客户终端设备分别与一台以上所述机械臂沟通互联；

电脑伺服器，用于根据控制指令和/或动作数据向一台以上机械臂下发相应任务；所述电脑伺服器与客户终端设备沟通互联；

所述多联控制系统的控制模式包括：

一对多控制，以操控员或一台机械臂作为控制方，以一台以上机械臂作为被控制方，一个控制方同时和/或同步控制一个以上被控制方；

和/或，助力驱动控制，根据外力辅助控制机械臂移动和/或停止；

和/或，力反馈控制，根据被控制方的受力情况，以一定比例反馈至控制方；

所述力反馈控制包括以下控制步骤：

(一)当被控制方工作过程中受到阻力作用时，力扭矩传感模块感应受到的阻力情况，以生成相应的第三动作数据并反馈至控制主板上，第三动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

(二)电脑伺服器对第三动作数据进行分析、计算处理后生成相应的阻力数据，并将该阻力数据反馈至控制方上；

控制器根据阻力数据限制操控员的活动或者控制主板根据阻力数据限制机械臂活动，以便控制方同时感应到被控制方受到阻力作用。

2.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：所述控制主板和/或电脑伺服器上设置有用于储存动作数据的数据库。

3.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：所述动作数据包括受力力度数据、受力方向数据、关节点的转动角度数据，关节点的转动速度数据。

4.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：所述沟通互联的连接方式包括有线通讯连接和/或无线通讯连接。

5.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：所述一对多控制包括以下控制步骤：

①以穿戴有控制器的操控员作为控制方；或者，在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为控制方；

②在电脑伺服器上选定相应的机械臂作为被控制方；或者，在控制主板上设置所在的机械臂作为被控制方；

③控制方完成要求的动作，以生成相应的第一动作数据反馈至控制主板上，第一动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

④电脑伺服器对第一动作数据进行分析、计算处理后生成相应的控制数据，并将该控制数据传输至一个以上被控制方上，以使一个以上被控制方同时和/或同步完成相应的动作。

6.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：所述助力驱动控制包括以下控制步骤：

(1)当机械臂受外力作用时，力扭矩传感模块感应机械臂的受力情况，以生成相应的第二动作数据反馈至控制主板上，第二动作数据经控制主板传输至电脑伺服器上；

(2)电脑伺服器对第二动作数据进行分析、计算处理后生成相应的助力数据，并将该助力数据反馈至相应机械臂的控制主板上；

(3)控制主板根据助力数据控制所在的机械臂活动，以辅助控制机械臂完成相应的动作。

7.根据权利要求1所述工业级机械臂的多联及互联控制系统，其特征在于：被控制方工作过程中受到的阻力按一定比例反馈在控制方上，反馈的比例在控制主板和/或电脑伺服器上设置。