CN112297015A - 一种具有力反馈的易用机械臂示教系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，包括示教架、机械臂和挤压传感器。所述示教架包括带触摸屏的主控器、示教枪、与人手关节相对应的机械关节，机械关节上的倒U钩一与倒U钩二挂载于示教员的前臂上，关节整体和手臂随动，可感知手臂运动轨迹，并用以对机械臂示教。挤压传感器能传感机械臂末端电动工具和工件挤压的力度和方向，并由主控器控制示教枪枪柄上三自由度尾板进行前后左右上下偏移，实时向示教员反馈挤压力度大小和方向，使得示教过程的手感和实际手动加工过程相似，对于熟练工人只需要手握示教枪，模仿工作手法，即可快速完成示教。本示教系统不需编程，不需操作电脑，实现示教耗时接近于单一工件加工时长的高效示教。

Description

一种具有力反馈的易用机械臂示教系统

技术领域

本发明属于自动化机械示教相关技术领域，具体涉及一种具有力反馈的易用机械臂示教系统。

背景技术

机械臂逐渐进入了各行各业，替代人工完成繁复的劳动，提高了生产力。但是在进入中小微企业的时候，有很大的示教瓶颈。机械臂的作业需要控制机械臂的运动轨迹与机械臂携带电动工具的作用力度。目前的示教工具，大多不能启动电动工具进行实操示教。因为不能反馈电动工具和工件的接触力度，启动工具，容易出现危险情况。所以示教过程是首先生成完整示教轨迹，然后机械臂携带电动工具依据轨迹进行一遍试运行，观察加工效果，然后再修改，再运行，如此往复，耗费大量的时间。对于复杂工件甚至出现，加工只要几分钟，但是示教编程需要几天的实际情况。

中小微企业需要能够简易的就能够将员工的熟练手法转换为机械臂动作的示教工具。尤其是只有几十上百个的非标器件，也能够达成加工工件只要几分钟，示教过程也只需要几分钟的示教效率，使得机械臂真正实用化。

然而虽然已有许多示教方法，但仍存在诸多使用难题，例如：

通过键盘逐行输入指令示教的方法成本低、兼容性强，得到了广泛的使用。但是对于编程人员要求高，需要系统学习各种指令的用法，在实际的示教编程中，也仅适合于机械臂动作单一，轨迹变化不多的场合。对于无指定动作规律的轨迹编程，例如对假树等暗角多的工件喷涂示教时，示教效率很低。示教员的编程能力以及对于动作的理解也会带来示教效果的参差不齐。

专利【CN100581753】提出了建立机械臂模型，并通过移动机械臂模型末端进行示教的方法。此方法不用编程，既能快速获得精确的示教轨迹。但是模型必须和机械臂具有相同的自由度、相同铰链类型和数量、相同机构尺寸和相同的工作空间。因模型本身不带重力补偿装置，模型的自重对于手动示教是严重问题。示教手柄处于末关节外侧，当需要人手对末关节实施类似大于180度旋转操作时，因为模型对手的遮拦，操作非常困难甚至不能实现。

专利【CN104552300B】提出了基于基座、以及设置在基座上的若干依次串联的关节臂的示教模型，通过人工驱动模型进行示教。示教有直观性，但是示教模型本身有自重，为了防止下垂，增加了重力补偿装置和阻尼器。但这些装置也制约了灵活性，操作费力。示教模型的各关节和人的手臂不是一一对应的关系，模型第一关节起始于基座，而人手臂的第一关节起始于肩部，模型的各关节和人手关节不是随动关系，移动示教中，因为并不完全等同于日常工作手法，示教人员会感觉别扭，示教动作节奏感不佳，难以简单模仿日常熟练操作过程。以及这种结构上的差异性可能会出现人的身体或者手臂被模型遮拦，而无法实施灵活动作的问题。为了稳定示教，整机必须有较重的底盘或固定于地上，限制了示教模型本身的可移动性。

专利【CN110605721】等提出基于末端多维力传感器的机械臂拖动示教方法。对于此方式，示教员是直接拖动真实工作的机械臂，示教员就站在机械臂边上，手握着机械臂。出于安全原因，不能让机械臂的电动工具上电进行实操示教，因为电动工具就在手边，很可能会伤人。示教员必须示教一次，后启动电动工具试运行，看看加工效果，再调整示教轨迹，如此多次重复。示教中，人站在机械臂的作业空间中，控制不当，也容易出现机械臂伤人的事故。目前，对于工业机械臂，此示教方法已经逐渐停止使用。

专利【CN107309882B】提出了利用Optitrack等高速摄像机捕捉标记点，通过移动轨迹来示教。此模式需要示教环境中定点布设专业的摄像机和光源，以及能够进行三维运算的主机。整套系统成本高，附件多，环境布置和调试都需要对示教系统非常熟悉的专业示教人员，这种模式对于普通低学历员工是极其困难的。光学捕捉最大问题是，对于管道、家具、卫浴洁具、工艺品等有较深度凹陷的工件部位，因为视线遮拦而无法捕捉，直接影响了示教系统的通用性。

专利【CN107363813B】提出了用惯性传感的可挂载设备进行示教的方法。此方式没有运动空间可能被遮拦的问题。但是目前空间定位精度很难达到毫米级别，而且精度会随着时间的累积而加大，对于机械臂普遍要求小于0.1mm的示教精度，惯性传感跟踪法很难实现。另外挂载型的惯性动作捕捉设备，每次都需挂载和进行复杂的校准，耗时长，对示教员要求高。

以上示教方法，和现实工作中其它的示教方法，大都不带示教力反馈，以及过力保护机制，从而不能对于可能接触工件的工作实施实操示教；然而现实工作中，相比无接触的加工，有接触的加工更多，不能实操示教，限制了机械臂的进一步推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，以解决上述背景技术中提出的不带示教力反馈与过力保护机制以及不能实操示教的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，包括示教架、机械臂和挤压传感器，所述示教架包括带触摸屏的主控器、示教枪、与人手关节相对应的机械关节以及倒U钩一、倒U钩二，所述机械关节上的倒U钩一与倒U钩二对应挂载于示教员的前臂上，关节整体和手臂随动，用于感知手臂运动轨迹，所述挤压传感器对应装设在机械臂关节的末端。

优选的，所述主控器上装设的触摸屏实时显示示教轨迹和触摸按键，所述主控器中装载有语音识别系统并内置喇叭。

优选的，所述倒U钩一与倒U钩二由带有橡胶外层的柔性金属构成。

优选的，所述机械关节包括与示教人员的手臂关节一一对应的臂转关节一、臂摆关节一、臂转关节二、臂摆关节二、臂转关节三与臂摆关节三以及臂摆关节四。

优选的，所述三角支架和臂转关节的交点为示教架的坐标原点。

优选的，所述示教架还包括可调节高度的三角支架，所述三角支架用于支撑机械关节。

优选的，所述传感器包括固定在机械臂工作端端部的挤压传感器，所述挤压传感器能够传感机械臂末端电动工具和工件挤压的力度和方向，并通过主控器控制示教枪枪柄上三自由度尾板进行前后左右上下偏移，实时向示教员反馈挤压力度大小和方向，挤压传感器检测到异常情况时，能够控制机械臂紧急停止。

优选的，所述触摸屏上设置有“等比缩减挤压深度示教”按钮，用户通过触摸该按钮启动“等比缩减挤压深度示教”模式，此模式启动后，当挤压传感器检测到挤压值大于0时，此模式开始启动，使得电动工具对工件挤压深度等比缩小。

优选的，所述示教系统还包括“过挤压保护机制”，示教中，当挤压力接近安全极限值时，系统能调整控制坐标，保持挤压力接近但不超过极限值。

与现有机械臂示教技术相比，本发明提供了一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，具备以下有益效果：

1、本发明通过挤压传感器能够传感机械臂末端电动工具和工件挤压的力度和方向，并可以通过主控器控制示教枪枪柄上三自由度尾板进行前后左右上下偏移，实时向示教员反馈挤压力度大小和方向，使得示教过程的手感和实际手动加工过程相似，对于熟练工人只需要手握示教枪，模仿实际工作手法，即可快速完成示教，本示教系统不需编程，不需操作电脑，可以将熟练工人的手法快速传递给机械臂，实现示教耗时接近于单一工件加工时长的高效示教；

2、本发明低成本，重量轻，便携，高精度，操作简单、方便，基本上所有员工都能够进行直观示教的机械臂示教系统，突出特点是，机械臂能高度模仿人手的动作，尤其是手腕的动作，具备作用力反馈，并能同时打开喷枪、打磨转头、点胶喷嘴等电动工具对工件实效示教，示教也就是机械臂实际加工的效果，示教即所得，对于日常示教，加工单一工件只要几分钟，示教过程也只需要几分钟，普通工人也可以非常高效完成示教，解决中小微企业机械臂动作更新快，示教难的问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明提出的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统实操示意图；

图2为本发明提出的关节分布结构示意图；

图3为本发明提出的臂摆关节整体外形结构示意图；

图4为本发明提出的臂摆关节分解结构示意图；

图5为本发明提出的T型中轴剖面结构示意图；

图6为本发明提出的臂转关节整体外形结构示意图；

图7为本发明提出的臂转关节分解结构示意图；

图8为本发明提出的臂转关节绕线仓剖面结构示意图；

图9为本发明提出的滑动关节结构示意图；

图10为本发明提出的示教枪整体结构示意图；

图11为本发明提出的示教枪剖面结构示意图；

图12为本发明提出的挤压传感器整体结构示意图；

图13为本发明提出的三维力传感器剖面结构示意图；

图中：M1、示教架；M2、机械臂；M3、挤压传感器；M4、三角支架；M5、主控器；M6、示教枪；M11、臂转关节一；M12、臂摆关节一；M13、臂转关节二；M14、臂摆关节二；M15、臂转关节三；M16、臂摆关节三；M17、臂摆关节四；M18、滑动关节；M19、倒U钩一；M20、倒U钩二；M30、坐标原点；Y1、通孔一；Y2、通孔二；Y3、通孔三；Y4、通孔四；Y5、通孔五；Y6、通孔六；Y7、通孔七；Y8、连接筒；T1、T型中轴；T2、码盘配套磁钢；T3A、轴承外夹套一；T4A、轴承一；T5A、轴承外环压环一；T6A、轴承内环压片一；T7-L、Y型夹一；T8、角度传感码；T9A、外盖一；T3B、轴承外夹套二；T4B、轴承二；T5B、轴承外环压环二；T6B、轴承内环压片二；T7-R、Y型夹二；T9B、外盖二；Q1、凸起圆台；Q2、圆形凹口；Q3、螺丝孔；Q4、凹槽口；Q5、连接口；K1、主支撑架；K2、滑动限位卡；K3、磁钢限位轴承；K4、磁铁扭矩传动片；K5、磁钢固定棒；K6、码盘配套磁钢；K7、码盘固定环；K8、角度传感码盘；K11、不锈钢圆管限位轴承；K12、磁铁滑动导槽；K13、带齿金属磁吸条；K14、长方形磁铁；K20、走线卡；K21、绕线仓；K22、外壳；K23、不锈钢圆管；K24、半开口圆环；K25、电气走线；W1、螺纹光轴一；W2、直线滑动轴承一；W3、第一弹簧；W4、光轴尾扣一；W5、位移传感器；W6、固定盘；W7、光轴尾扣二；W8、第二弹簧；W9、直线滑动轴承二；W10、螺纹光轴二；W11、工字主支撑架；S1、示教枪主壳体；S3、力反馈握力背板；S4、急停扳机；S5、主板机；S6、可伸缩橡胶护板；S7、限位珠；S8、弹簧限位片；S9、凸轮；S11、十字万向节一；S12、十字万向节二；S13、十字万向节三；S14、十字万向节四；S21、伺服电机一；S22、伺服电机二；S23、伺服电机三；F1、三维力传感器；F2、弹簧；F3、固定盘一；F4、弹簧盖一；F5、位移传感器；F6、弹簧盖二；F7、固定盘二；F8、压力传感器一；F9、压力传感器二；F10、压力传感器三；F11、外壳。

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做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。

请参阅图1至图13，本发明提供一种技术方案：一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，包括示教架M1、机械臂M2和挤压传感器，示教架M1包括带触摸屏的主控器M5、示教枪M6、与人手关节相对应的机械关节以及倒U钩一M19、倒U钩二M20，机械关节上的倒U钩一M19与倒U钩二M20对应挂载于示教员的前臂上，关节整体和手臂随动，用于感知手臂运动轨迹，挤压传感器对应装设在机械关节的末端。

进一步，主控器M5上装设的触摸屏实时显示示教轨迹和触摸按键，供用户查看和点击，主控器M5中装载有语音识别系统并内置喇叭，可以发出报警蜂鸣和错误语音提示。

进一步，倒U钩一M19与倒U钩二M20由带有橡胶外层的柔性金属构成，可以适当进行弯折，改变形状，示教时，钩挂在示教员的前臂上，保持臂转关节M15等能伴随人的前臂一起移动。

更进一步，机械关节包括与示教人员的手臂关节一一对应的臂转关节一M11、臂摆关节一M12、臂转关节二M13、臂摆关节二M14、臂转关节三M15与臂摆关节三M16以及臂摆关节四M17，依序对应示教员手臂的肩旋转、肩摆、上臂旋转、肘摆、前臂旋转、手腕竖摆、手腕外摆。

需要留意的是，示教架M1还包括可调节高度的三角支架M4，三角支架M4用于支撑机械关节，减轻操作重力，方便操作人员操作使用。

值得注意的是，三角支架M4和臂转关节M11的交点为示教架M1的坐标原点M30，示教操作时，通过各个关节的转动角度、各臂的臂长，经过运动学正解后就可以得到示教枪M6末端相对于原点M30的坐标和示教枪的空间姿态角。

需要了解的是，臂摆关节一M12、臂摆关节二M14与臂摆关节三M16以及臂摆关节四M17结构相同，其组成结构从中间到两侧结构大体对称，具体为：外盖一T9A、角度传感码盘T8、Y型夹一T7-L、轴承内环压片一T6A、轴承外环压环一T5A、轴承一T4A、轴承外夹套一T3A、码盘配套磁钢T2、T型中轴T1、轴承外夹套二T3B、轴承二T4B、轴承外环压环二T5B、轴承内环压片二T6B与Y型夹二T7-R以及外盖二T9B，其中Y型夹一T7-L和Y型夹二T7-R，实际为一整体零件，文中为了方便理解，示意性的分为了一个零件的两个部分，下文统一用Y型夹T7表示，其它零件的A、B分别表示两个分开的器件，但是结构一致，其中T型中轴T1，如剖视图5所示此零件轴线左右两边有凸起圆台Q1，凸起圆台可以用来套接轴承一T4A与轴承二T4B，左边有用以固定码盘配套磁钢T2的圆形凹口Q2，右边有凹口Q4一直分两路，内部以中空形式，分别连接到T型中轴T1的下尾部和底部，实现内部的中空走线，避免走线外露不美观，和防止关节旋转时电气走线折断的问题，T型中轴T1左右凸起圆台Q1有螺丝孔Q3，装配时，通过螺丝穿过轴承内环压片一T6A与轴承内环压片二T6B的通孔Y5拧至螺丝孔Q3，分别夹紧轴承一T4A与轴承二T4B的内环，使得轴承一T4A与轴承二T4B内环和T型中轴T1连为一体，轴承外夹套一T3A与轴承外夹套二T3B为尾部有内缩台阶的圆环，上有螺纹孔Y1，装配时，通过螺丝穿过外盖一T9A与外盖二T9B的通孔Y3和Y型夹T7的通孔Y2，拧至螺丝孔Y1，同时通过轴承内环压片一T6A与轴承内环压片二T6B的挤压，使得Y型夹T7和轴承一T4A与轴承二T4B外环连为一体，臂摆关节整体装配后，可以实现Y型夹T7和T型中轴T1能够围绕轴承轴线做相对旋转运动，并通过角度传感码盘T8检测与磁钢T2的相对角度获得整个关节的旋转角度。

值得明白的是，臂转关节一M11、臂转关节二M13与臂转关节三M15结构相同，主体结构如图6所示，具体组成为：主支撑架K1、不锈钢圆管K23、码盘固定环K7、角度传感码盘K8、磁钢限位轴承K3、不锈钢圆管限位轴承K11、限位卡K2、磁钢固定棒K5、码盘配套磁钢K6、长方形磁铁K14、磁铁扭矩传动片K4、带齿金属磁吸条K13、磁铁滑动导槽K12、走线卡K20与绕线仓K21以及外壳K22，其中主支撑架K1带有两个半开口圆环K24，通过带弹簧螺丝紧固，控制圆环收缩力度，圆环内表面涂有固体石墨润滑粉，达成直线滑动轴承的效果，使得不锈钢圆管K23可以在内自由滑动和绕轴旋转，磁钢限位轴承K3装配于主支撑架K1的末端圆槽内，并通过码盘固定环K7卡紧，磁钢固定棒K5插于磁钢限位轴承K3内，并通过卡簧和磁钢限位轴承K3卡紧，磁钢固定棒K5右端有凹槽，码盘配套磁钢K6被固定于凹槽内，角度传感码盘K8固定于码盘固定环K7内，装配后被T型中轴T1卡紧，磁铁滑动导槽K12嵌套于不锈钢圆管K23内，装配后，被不锈钢圆管K23卡紧，带齿金属磁吸条K13，为弹簧钢材料，可以被长方形磁铁K14吸住的长条，长条两侧有锯齿，带齿金属磁吸条K13装配后，被磁铁滑动导槽K12卡紧，长方形磁铁K14通过螺丝固定于磁铁扭矩传动片K4上，磁铁扭矩传动片K4通过螺丝固定于磁钢固定棒K5上，装配后的整套系统能够实现，将不锈钢圆管K23的转动无缝传递给码盘配套磁钢K6，力矩转传递顺序为：不锈钢圆管K23→磁铁滑动导槽K12→带齿金属磁吸条K13→长方形磁铁K14→磁铁扭矩传动片K4→磁钢固定棒K5→码盘配套磁钢K6，当不锈钢圆管K23有相对于主支撑架K1的旋转时，角度传感码盘K8即能检测到旋转的角度，此角度也为整个关节的旋转角度，走线卡K20固定于主支撑架K1上，走线卡K20内有凹槽，可以电气走线，并夹住电气走线，绕线仓K21实现了电气走线不外露，并保护电气走线K25在关节旋转时不会折断，原理如剖视图图8所示，电气走线K25从绕线仓K21尾部插入，并在绕线仓K21内缠绕两圈之后，从主支撑架K1和走线卡K20的缝隙中引出，关节旋转的时候，绕线仓K21和不锈钢圆管K23同步旋转，主支撑架K1和走线卡K20同步旋转，此时，因为电气走线已经在绕线仓K21内较松的缠绕了两圈，当不锈钢圆管K23和主支撑架K1有绕轴不超过360度的相对旋转时电气走线首尾会跟随安全运动，电气走线整体不会被折断，外壳K22为保护作用，不锈钢圆管限位轴承K11装配后，轴承内环和不锈钢圆管K23形成一整体，轴承外环和限位卡K2形成为一整体，限位卡K2有螺丝可以固定在主支撑架K1上，主支撑架K1和限位卡K2接触面沿着轴承的轴向前后有多个等间距的预留螺丝孔，通过左右滑动限位卡K2并通过螺丝固定在不同的预留螺丝孔上，可以实现调节不锈钢圆管K23插入主支撑架K1的深度，从而调节整个臂转关节的臂长，调整关节臂长的功能为可选功能，只有当使用者身高，臂长差异很大，如不同人种使用时才需调节，以方便使用，示教架M1中，只有臂转关节M15和人手臂是贴附关系，平常身材差异不大时，通过调节三角支架M4的高度，即可保持手臂动作不被关节遮挡。

需要留心的是，滑动关节M18由工字主支撑架W11、带螺纹的光轴一W1与光轴二W10、直线滑动轴承一W2与直线滑动轴承二W9、弹簧一W3与弹簧二W8、光轴尾扣一W4与光轴尾扣二W7、固定盘W6、位移传感器W5构成，其中光轴一W1与光轴二W10的尾部被光轴尾扣一W4与光轴尾扣二W7固定住，光轴一W1与光轴二W10分别穿过直线直线滑动轴承一W2与直线滑动轴承二W9，并可沿轴线方向适量前后移动，光轴一W1与光轴二W10头部有螺纹，分别固定在示教枪M6主壳体S1的上端和下端，工字主支撑架W11上有固定盘W6，通过上面的螺纹孔可以将工字主支撑架W11和臂摆关节M17固定为一体，位移传感器W5用于检测光轴W1的滑动量，通过相对固定关系可知，位移传感器W5检测结果最终表示的是示教枪M6相对于臂摆关节M17的移动量，示教过程中，示教架M1的最末臂摆关节M17处于人的手腕关节外侧，伴随手腕一起转动，但是两者并不同轴，外摆示教枪M6时，示教枪M6与人手腕关节的距离是基本固定的，但是与臂摆关节M17的距离是变化的，滑动关节的安装，较好的解决了这一问题。

值得察觉的是，示教枪M6整体如图10所示，主要由示教枪主壳体S1、急停扳机S4、主扳机S5、力反馈握力背板S3、伺服电机一S21、伺服电机二S22、伺服电机三S23、十字万向节一S11、十字万向节二S12、十字万向节三S13十字万向节四S14、可伸缩橡胶护板S6组成，其中急停扳机S4为控制机械臂M2停止与开始跟随运动，全部松开为控制机械臂M2包含电动工具的所有动作全部停止，扣动至主扳机S5初始位置及以上为启动跟随，示教枪M6内部装设有角度传感器，能将扳机扣动信号传至主控器M5，通过主控器M5控制机械臂M2整体的动作和停止，主扳机S5为电动工具作用力度控制扳机，示教时，此扳机内置的角度传感器将角度信号传送至主控器M5，由主控器M5实时记录控制力度大小，并发送命令，控制机械臂M2携带电动工具的旋转力度，剖视图图11显示了内部的连接关系，示教枪主壳体S1和力反馈握力背板S3是物理分开的两个部分，内部通过带弹簧的限位珠S7和带弹簧的限位片S8弹性连在一起，伺服电机一S21、伺服电机二S22、伺服电机三S23与十字万向节一S11、十字万向节二S12、十字万向节三S13、十字万向节四S14共同构成了三自由度的力反馈装置，伺服电机一S21、伺服电机二S22、伺服电机三S23均带减速器和角度传感码盘，伺服电机一S21与伺服电机二S22的主轴带丝杆，十字万向节四S14与十字万向节三S13上有丝杆配套螺母，伺服电机一S21与伺服电机二S22的主轴旋转时，能够带动十字万向节四S14与十字万向节三S13前后移动，从而带动力反馈握力背板S3前后移动，伺服电机三S23末端带凸轮S9，当电机旋转时，凸轮S9能带动力反馈握力背板S3的尾部前后移动，示教中，主控器M5给伺服电机一S21、伺服电机二S22、伺服电机三S23发送移动位置命令，既能使得力反馈握力背板S3实现适量的偏上、偏下、偏左、偏右以及整体前后的移动，可伸缩橡胶护板S6从表面连接了示教枪主壳体S1和力反馈握力背板S3，保护示教过程中，手掌不会因为背板前后移动而被夹住。

需要明晰的是，挤压传感器M3如图12所示，由弹簧F2，嵌于弹簧F2内部的位移传感器F5，包含压力传感器一F8、压力传感器二F9与压力传感器三F10的三维力传感器F1，固定盘一F3固定盘二F7组成，带花键轴的弹簧盖F6和带花键套的弹簧盖F4能够产生共轴相对位移，并由花键轴和花键套的套接传递扭力，当传感器受到挤压的时候，位移传感器F5能检测弹簧F4的被挤压量，并转化为数字信号实时传送给主控器M5，图13显示了三维力传感器F1的内部结构，由压力传感器一F8、压力传感器二F9与压力传感器三F10共同构成360度径向压力传感，传感器的外壳F11由弹性金属材料压制而成的薄壁外壳，外壳和固定盘一F3的接触面，在受到挤压的时候，能够产生微小变形，并由压力传感器一F8、压力传感器二F9与压力传感器三F10传感挤压变化量，并实时转化为数字信号传送给主控器M5，外壳F11同时具有传递固定盘一F3和弹簧盖F4扭力的作用，保护传感器不受扭力损伤，挤压传感器M3整体安装于机械臂M2末关节法兰和电动工具法兰之间，主控器M5实时记录位移传感器F5、压力传感器一F8、压力传感器二F9与压力传感器三F10的数据，并转化为伺服电机一S21、伺服电机二S22、伺服电机三S23的转动量，使得示教员在示教过程中，能实时的感触到机械臂M2上电动工具被挤压的情况。

一种具有力反馈的易用机械臂示教系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，将待加工的工件牢固固定于机械臂M2前方。

步骤2，在机械臂M2末端法兰和电动工具之间安装挤压传感器M3，传感器信号连接至主控器M5，主控器M5通过TCP/UDP通讯链路连接机械臂M2的主机，使得主控器M5能通过通讯链路发送命令控制机械臂M2进行动作和读取电动工具末端的坐标。

步骤3，触摸屏显示可控制机械臂M2移动的箭头式按键，示教员点击按键，移动机械臂M2末端工具至方便示教的初始位置。

步骤4，示教员站于示教架后方，前臂卡入倒U钩一M19、倒U钩二M20中，手握示教枪M6。

步骤5，示教员肘关节上抬至水平态，通过点击触摸屏“开始示教”按键，启动示教。

步骤6，示教员微微扣动急停扳机S4，示教枪M6和机械臂M2进入同步状态。主控器M5计算此时示教枪M6的坐标和姿态角，以及通过通讯链路读取机械臂M2电动工具末端当前坐标和姿态角。计算两组坐标的偏置，并进行坐标匹配。

具体匹配过程为：主控器M5计算示教枪M6当前坐标X”Y”Z”和姿态角A”B”C”，并通过通讯链路读取机械臂M2电动工具末端的当前坐标X_DY_DZ_D和A_DB_DC_D，计算出两者之间的位置偏置ΔX＝X_D–X”，ΔY＝Y_D-Y”，ΔZ＝Z_D-Z”，ΔA＝A_D-A”，ΔB＝B_D-B”，ΔC＝C_D-C”。

计算出位置偏置后，以10ms或者更快的周期，实时计算示教枪M6新的坐标X’Y’Z’和姿态角A’B’C’，通过X_s＝X’+ΔX，Y_s＝Y’+ΔY，Z_s＝Z’+ΔZ，A_s＝A’+ΔA，B_s＝B’+ΔB，C_s＝C’+ΔC计算出示意坐标X_sY_sZ_s和A_sB_sC_s。当主控器M5特殊保护功能没有被触发，对示意坐标不需要做特殊处理时，将示意坐标等同于机械臂的最终控制坐标，既控制坐标X_kY_kZ_kA_kB_kC_k等于示意坐标X_sY_sZ_sA_sB_sC_s，主控器M5发送控制坐标X_kY_kZ_kA_kB_kC_k对应的控制命令对机械臂M2进行动作控制。

此时示教员以各种姿势移动示教枪M6时，机械臂M2也会进行跟随动作。

步骤7，示教员观察真实机械臂M2上电动工具对工件的作用效果，并依据需要移动示教枪M6和扣动主扳机S5控制机械臂M2和电动工具的实际动作。过程中，通过示教枪M6力反馈握力背板S3前后左右上下偏移感知挤压的力度和方向，调整手势，逐步示教。

步骤8，示教结束的时，示教员松开主扳机S5和急停扳机S4，机械臂M2和电动工具停止动作，然后通过点击触摸屏“结束示教”按键结束示教。

在示教过程中，主控器M5以一定时间间隔，如每5ms一次，通过通讯链路读取机械臂M2电动工具末端实时的坐标以及主扳机S5的数据，并转换和逐行生成实体机械臂能执行的命令。示教结束，逐行生成的命令集，即为最终示教数据。

附加的，示教过程中，主控器M5启动过挤压保护机制。示教前，通过触摸屏设置挤压力的最大值和自动回退极限值。示教中，当挤压力接近最大值的时候，主控器M5在控制坐标X_kY_kZ_kA_kB_kC_k上叠加回退值Δ₁作为新的控制坐标X_k2Y_k2Z_k2A_k2B_k2C_k2，此时不再以X_kY_kZ_kA_kB_kC_k生成机械臂的控制命令，而是以X_k2Y_k2Z_k2A_k2B_k2C_k2为基准生成机械臂的控制命令。叠加方法为1)A_k2B_k2C_k2等于A_kB_kC_k，2)将坐标点X_kY_kZ_k沿A_kB_kC_k的反方向进行三维空间坐标移动直线距离Δ₁，得到移动后坐标点的坐标，并将此坐标设定为X_k2Y_k2Z_k2。Δ₁的值为变化的值，由系统PID算法给出，PID算法不断检测挤压力大小并调整Δ₁的值，保持挤压力接近但不超过最大值。同时，主控器M5依据回退值Δ₁大小发出等比频率快慢的蜂鸣报警声。当回退值Δ₁超过了预设的自动回退极限时，主控器M5控制机械臂M2停止动作，并发出语音警示示教员。当示教员调整示教枪M6姿势，回退值Δ₁再次回到极限内时，主控器M5控制机械臂M2继续示教。

附加的，示教中，当示教员没有点击触摸屏“结束示教”按键，而只是松开了主扳机S5和急停扳机S4时，主控器M5采集机械臂M2电动工具末端当前坐标，并发命令停止机械臂M2和电动工具运行。示教员可以自由移动示教枪M6至其它位置，当再次扣下急停扳机S4后，主控器M5会以步骤6的方法，重新计算偏置值ΔX、ΔY、ΔZ、ΔA、ΔB、ΔC，并以新的偏置值进行控制坐标的计算，示教枪M6和机械臂M2再次同步，示教员可以继续示教，示教数据会在前一次的数据下进行累加。示教员可以多次停止，多次重新跟随，只到点击触摸屏“结束示教”命令。才最终结束全部示教过程。

附加的，示教中，任何条件下，当主控器M5检测到传感器M3反馈的挤压力超过设置极限值时，都无条件控制机械臂M2和电动工具停止运行，进行安全保护。

可选的，用户可以通过触摸屏按键“等比缩减挤压深度示教”按钮，使得电动工具触碰上工件后，电动工具朝向工件的挤压深度并不等于示教枪指示的深度，而是为指示深度的缩小值。示教前，通过触摸屏设置缩小比例S_uo，此模式启动后，当挤压传感器M3检测到挤压值大于0时，此模式开始启动。主控器M5设置控制坐标的A_kB_kC_k等于示意坐标的A_sB_sC_s，然后对示意坐标X_sY_sZ_s按照A_sB_sC_s的反方向移动回退值J_T的距离得到的坐标点作为控制坐标X_kY_kZ_k。其中，回退值J_T计算步骤为1)主控器M5通过通讯链路获得当前机械臂M2末端电动工具的实际空间坐标X_DY_DZ_D A_DB_DC_D，以及挤压传感器M3上位移传感器F5反馈的挤压长度J_D。2)主控器M5对坐标点X_DY_DZ_D沿A_DB_DC_D的反方向进行长度为J_D的三维空间坐标移动，得到新坐标点X_NY_NZ_N。3)计算示教枪M6示意坐标X_SY_SZ_S。4)计算X_NY_NZ_N与X_SY_SZ_S之间的空间直线距离J_N，5)计算回退值J_T＝J_N*(1-S_uo)。

可选的，现有的示教架M1只有单手，但不限定于扩展到双手；

可选的，此示教架M1不局限于在工业机械臂行业使用，在远程医疗、空间作业机器人、水下机械臂、救援机器人、双臂机器人、辐射等有害环境工作的机器人，虚拟现实游戏，三维仿真训练等行业也适合用于示教和直接控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，包括示教架(M1)、机械臂(M2)和挤压传感器，其特征在于：所述示教架(M1)包括带触摸屏的主控器(M5)、示教枪(M6)、与人手关节相对应的机械关节以及倒U钩一(M19)、倒U钩二(M20)，所述机械关节上的倒U钩一(M19)与倒U钩二(M20)对应挂载于示教员的前臂上，关节整体和手臂随动，用于感知手臂运动轨迹，所述挤压传感器对应装设在机械臂关节的末端。

2.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述主控器(M5)上装设的触摸屏实时显示示教轨迹和触摸按键，所述主控器(M5)中装载有语音识别系统并内置喇叭。

3.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述倒U钩一(M19)与倒U钩二(M20)由带有橡胶外层的柔性金属构成。

4.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述机械关节包括与示教人员的手臂关节一一对应的臂转关节一(M11)、臂摆关节一(M12)、臂转关节二(M13)、臂摆关节二(M14)、臂转关节三(M15)与臂摆关节三(M16)以及臂摆关节四(M17)。

5.根据权利要求4所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述示教架(M1)还包括可调节高度的三角支架(M4)，所述三角支架(M4)用于支撑机械关节。

6.根据权利要求5所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述三角支架(M4)和臂转关节(M11)的交点为示教架(M1)的坐标原点(M30)。

7.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述传感器包括固定在机械臂(M2)工作端端部的挤压传感器(M3)，所述挤压传感器(M3)能够传感机械臂末端电动工具和工件挤压的力度和方向，并通过主控器(M5)控制示教枪枪柄上三自由度尾板进行前后左右上下偏移，实时向示教员反馈挤压力度大小和方向，挤压传感器检测到异常情况时，能够控制机械臂(M2)紧急停止。

8.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述触摸屏上设置有“等比缩减挤压深度示教”按钮，用户通过触摸该按钮启动“等比缩减挤压深度示教”模式，此模式启动后，当挤压传感器(M3)检测到挤压值大于0时，此模式开始启动，使得电动工具对工件挤压深度等比缩小。

9.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的易用机械臂示教系统，其特征在于：所述示教系统还包括“过挤压保护机制”，示教中，当挤压力接近安全极限值时，系统能调整控制坐标，保持挤压力接近但不超过极限值。

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