CN112847304A - 一种有监督无接触的机械臂示教方法 - Google Patents

Abstract

一种有监督无接触的机械臂示教方法，属于机器人示教技术。该方法从机械臂末端工具到达起点位置开始执行机械臂接触操作示教任务，根据示教者的观察来决策机械臂末端工具的运动方向，并同时观察机械臂末端六维力/力矩传感器的力信号值。如果机械臂末端工具和被操作物体之间的位姿差与期望位姿差存在不同，则调整机械臂末端工具的位姿。调整过程中，如果接触力过大超过机械臂或者物体的承受能力，则需要调整机械臂的末端位姿朝脱离接触的方向运动。否则，则继续调整机械臂末端工具的位姿。当示教者判断机械臂末端工具和被操作物体之间的位姿差与期望位姿差相同时，通过继续调整机械臂末端工具的位姿和力传感器的数据来判断示教任务是否结束。

Description

一种有监督无接触的机械臂示教方法

技术领域

本发明属于机器人示教技术领域，尤其涉及一种有监督无接触的机械臂示教方法。

背景技术

机器人在执行一些任务的时候需要学习从输入状态到输出动作的映射。机器人示教技术就是将示教者执行的期望的机器人行为的状态-动作对记录下来，并利用这些数据来生成出复现示教行为的策略。机器人示教技术通常分成两个阶段：采集样本和根据样本获得策略。采集样本的方法以拖动机械臂采集轨迹或从人臂的运动映射到机械臂最为常见。但是这样的方法不仅无法实现精细的操作，而且在人拖动机械臂的示教过程中，机械臂受到了人施加的额外环境力，无法完全模拟真实的应用场景。人臂映射到机械臂的示教过程缺乏足够的精确性。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的人拖动机械臂的示教过程中，机械臂受到人施加的额外影响力，无法完全模拟真实的应用场景的问题，本发明提供一种有监督无接触的机械臂示教方法，保证示教过程免受人的作用力对机械臂动力学施加影响，并实现了机械臂的精细操作。本发明实现了示教过程与实际应用场景相同的机械臂环境，并能够用于精细的机器人操作任务。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种有监督无接触的机械臂示教方法，所述方法具体为：在执行机械臂接触操作的示教过程中，同时观察机械臂末端工具和被操作物体间的相对位姿差以及遥操作计算机显示的机械臂末端力/力矩传感器的力信号值，根据这两者来决定下一时刻的运动指令。

进一步地，根据机械臂末端工具与被操作物体之间的位姿差，作出运动决策，具体地，如果目标位姿差与当前位姿差不同，且遥操作计算机所示的接触力在机械臂可以承受的范围内，则根据判断来决策下一个运动决策的方向。

进一步地，时刻关注显示器显示的力信号，并判断接触力是否过大(接触力过大可能会引起机械臂的损坏)，如果接触力过大，则控制机械臂末端工具向着脱离接触的方向运动，直至接触力在机械臂可承受的范围内。

一种上述方法所使用的系统，所述系统包括机械臂，机器人控制器，遥操作计算机，显示器，六维力/力矩传感器，机械臂末端工具，被操作物体；

所述显示器、遥操作计算机、机器人控制器与机械臂依次连接，信号均双向传输；所述机械臂操作末端设置有六维力/力矩传感器和机械臂末端工具，所述机械臂末端工具与被操作物体形状相配合；所述六维力/力矩传感器实时采集机械臂末端工具的力数据，并反馈回遥操作计算机。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、示教者在示教的过程中不与机械臂接触，仅进行监督和发指令的工作，不会有外界作用力对机械臂的动力学造成影响。

2、示教者肉眼观察机械臂末端工具与被操作物体之间的相对位姿，并可以由此进行实时示教决策。

3、示教者在示教过程中可以实时看到传感器的数据，为示教过程中的机械臂提供保护。

4、将机器人示教问题从简单运动示教拓展到接触操作的领域。

5、机械臂每次输出的运动位姿可以非常小，可应用于机械臂精细操作领域。

附图说明

图1为有监督无接触示教系统示意图；

图2为有监督无接触示教流程示意图；

其中，1-机械臂、2-机器人控制器、3-遥操作计算机、4-示教者、5-显示器、6-六维力/力矩传感器、7-机械臂末端工具、8-被操作物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明中，为了避免人和机械臂之间的接触对机械臂造成影响，机械臂由遥操作计算机来对机器人控制器发送机械臂末端的位置姿态控制指令。为实现机械臂末端的精细操作，机械臂的末端可以沿工具坐标系的x-y-z任意方向运动平移单位距离，或者绕x-y-z任意轴线旋转单位角度。为实现示教者对机械臂实时状态的监督，并在执行接触操作任务的过程中对机械臂进行充分的保护，示教者不仅要在示教过程根据机械臂末端工具和被操作物体之间的相对位姿关系进行调整，还要通过遥操作计算机的显示器来实时观察机械臂末端力传感器采集的力信号，从而作出反应。

当机械臂运动到执行接触操作任务的起点位置后，示教者观察机械臂末端和被操作物体之间的相对位姿关系，并作出机械臂末端的运动决策指令，通过遥操作计算机发送给机械人控制器。在调整机械臂末端工具的位姿过程中，不仅要考虑从示教者角度观察到的机械臂末端与被操作物体之间的相对位姿差距，还要考虑遥操作计算机显示的机械臂末端六维力/力矩传感器的实时力数据。如果接触力过大，就应该考虑优先向脱离接触的方向运动或向使接触力减小的方向运动。最后根据示教者对机械臂末端工具与被操作物体的位置关系与遥操作计算机显示的六维力/力矩信号值来判定示教任务是否完成。每执行一次机械臂末端的平移或旋转运动，都储存一次当前的机械臂末端工具位置姿态和当前末端六维力/力矩传感器的信号值，以供后续得到从状态空间到动作空间的策略。

实施例1：

如图1所示，一种有监督无接触的机械臂示教方法，包括机械臂1，机器人控制器2，遥操作计算机3，示教者4，显示器5，六维力/力矩传感器6，机械臂末端工具7，被操作物体8。遥操作计算机中本领域技术人员可按照现有的常规方法设计程序观察并记录力数据并发送指令给机器人控制器。示教者4通过遥操作计算机3及显示器5向机器人控制器2发送机械臂末端的运动指令，并在发送指令的过程同时观察机械臂末端工具7与被操作物体8之间的相对位姿关系以及显示器5显示的由六维力/力矩传感器6采集的力信号。示教者4根据同时观察这两个对象，来完成对接触操作任务的示教过程，并在发送运动指令的同时，记录机械臂的位姿和六维力/力矩传感器6的数据。如果在示教过程中，六维力/力矩传感器显示的接触力过大，示教者应优先发送使机械臂末端工具7与被操作对象8之间脱离接触方向的运动指令。当接触力在机械臂可承受范围时，再继续进行示教过程。最后根据机械臂末端工具7与被操作物体8之间的相对位姿关系以及显示器5显示的由六维力/力矩传感器6采集力信号来判断任务完成与否。

实施例2：

一种有监督无接触的机械臂示教方法，所述方法步骤如下：

步骤一：观察机械臂工具与被操作物体的位姿差，使机械臂末端工具与被操作物体相接触，同时观察六维力/力矩传感器的力信号值，判断接触力是否在机械臂承受范围内，若是，执行步骤二，若否，则控制机械臂末端工具与被操作物体脱离接触的方向运动，记录调整后的机械臂末端位姿和力信号，重新执行本步骤，直至进行步骤二；

步骤二：调整机械臂末端工具向目标位姿方向运动，记录调整后的机械臂末端位姿和力信号，判断机械臂末端工具与被操作物体间相对位姿差与期望位姿差是否一致，若是，执行步骤三，若否，返回步骤一；

步骤三：结合力信号判断机械臂末端工具与被操作物体之间是否达到预期位姿关系，若是，则示教任务完成，若否，则根据需要调整机械臂末端位姿，记录调整后的机械臂末端位姿和力信号，继续结合力信号判断机械臂末端工具与被操作物体之间是否达到预期位姿关系，直至示教任务完成。

Claims (4)

1.一种有监督无接触的机械臂示教方法，其特征在于：所述方法具体为：在执行机械臂接触操作的示教过程中，同时观察机械臂末端工具和被操作物体间的相对位姿差以及遥操作计算机显示的机械臂末端六维力/力矩传感器的实时力信号值，根据这两者来决定下一时刻的运动指令。

2.根据权利要求1所述的一种有监督无接触的机械臂示教方法，其特征在于：根据机械臂末端工具与被操作物体之间的位姿差，作出运动决策，具体地，如果目标位姿差与当前位姿差不同，且遥操作计算机所示的接触力在机械臂可以承受的范围内，则根据判断来决策下一个运动决策的方向。

3.根据权利要求1所述的一种有监督无接触的机械臂示教方法，其特征在于：时刻关注显示器显示的力信号，并判断接触力是否过大，如果接触力过大，则控制机械臂末端工具向着脱离接触的方向进行运动，直至接触力在机械臂可承受的范围内。

4.一种权利要求1～3任一项所述方法所使用的系统，其特征在于：所述系统包括机械臂，机器人控制器，遥操作计算机，显示器，六维力/力矩传感器，机械臂末端工具，被操作物体；

所述显示器、遥操作计算机、机器人控制器与机械臂依次连接，信号均双向传输；所述机械臂操作末端设置有六维力/力矩传感器和机械臂末端工具，所述机械臂末端工具与被操作物体形状相配合；所述六维力/力矩传感器实时采集机械臂末端工具的力数据，并反馈回遥操作计算机。

Images