CN114425770A - 一种工业机器人示教控制方法、电子设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种工业机器人示教控制方法、电子设备和存储介质，该方法包括：获取工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩；获取传感装置所采集的工业机器人当前所受到的力和力矩；将力和力矩换算至各关节处获得各关节处的力矩分量；将力矩分量与力矩调整参数结合，以获得各关节处对应的换算力矩；将各关节处对应的换算力矩、所需补偿的重力矩和摩擦力矩叠加，以获得各关节处对应的最终力矩；将最终力矩下发至控制装置，以使控制装置控制各关节处的动力装置驱动工业机器人进行示教。通过上述方式，本申请能够在对工业机器人施加外力进行示教控制时，实现各关节位置处的柔顺变化，降低示教控制的难度。

Description

一种工业机器人示教控制方法、电子设备和存储介质

技术领域

本申请涉及工业机器人技术领域，特别是涉及一种工业机器人示教控制方法、电子设备和存储介质。

背景技术

随着工业生产对生产效率和生产品质的要求愈发提高，工业机器人因其具有装配准确性高、不间断工作等优点，在工业生产中得到了大量使用，极大地解放了劳动力并降低了生产成本。

为使工业机器人能够按照理想的运动轨迹进行操作，需要对工业机器人进行示教控制以使机器人将运动轨迹记录下来，为演示该理想的运动轨迹，需要操作人员拖动工业机器人运动到理想的姿态并记录下来。因此，如果对工业机器人施加外力拖动工业机器人运动时，各关节的运动不够柔顺，阻力较大的话，则可能导致运动不到位，单人操作难度大等问题。有鉴于此，如何优化工业机器人示教控制方法成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种工业机器人示教控制方法、电子设备和存储介质，能够在对工业机器人施加外力进行示教控制时，实现各关节位置处的柔顺变化，降低示教控制的难度。

为解决上述技术问题，本申请第一方面提供一种工业机器人示教控制方法，该控制方法包括：获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩；获取传感装置所采集的所述工业机器人当前所受到的力和力矩；将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量；将所述力矩分量与力矩调整参数结合，以获得所述各关节处对应的换算力矩；将各关节处对应的所述换算力矩、所需补偿的所述重力矩和所述摩擦力矩叠加，以获得各关节处对应的最终力矩；将所述最终力矩下发至控制装置，以使所述控制装置控制各关节处的动力装置驱动所述工业机器人进行示教。

其中，所述将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量之前，包括：获取用户设定的各关节处允许运动的方向，将不允许运动的方向对应的所述力和/或所述力矩进行归零处理，以获取各关节处对应的处理力和处理力矩。

其中，所述将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量，包括：获取为所述工业机器人设定的力雅可比，并利用所述处理力、所述处理力矩和所述力雅可比计算所述各关节处的力矩分量。

其中，所述将所述力矩分量与力矩调整参数结合，以获得所述各关节处对应的换算力矩，包括：将所述力矩分量与所述力矩调整参数相乘，以使所述力矩分量对应所述力矩调整参数进行缩放，进而获得所述各关节处对应的换算力矩。

其中，所述将所述最终力矩下发至控制装置，以使所述控制装置控制各关节处的动力装置驱动所述工业机器人进行示教，包括：将所述最终力矩下发给所述控制装置，进而所述控制装置将所述最终力矩转换为输入电流，将所述输入电流下发至所述动力装置，以使各关节处的所述动力装置驱动所述工业机器人进行示教。

其中，所述获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩之前，包括：获取所述工业机器人各关节处的位置信息，对所述位置信息进行差分处理获得所述工业机器人各关节处的速度信息。

其中，所述获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩，包括：利用所述位置信息计算所述重力矩，利用所述速度信息计算所述摩擦力矩。

其中，所述传感装置为六维力传感器，所述获取传感装置所采集的所述工业机器人当前所受到的力和力矩，包括：获取所述六维力传感器所采集的在笛卡尔坐标系中，所述工业机器人当前所受到的力和力矩在各自三个方向上的数值。

为解决上述技术问题，本申请第二方面提供一种电子设备，所述电子设备包括相互耦接的存储器和处理器；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述第一方面的工业机器人示教控制方法。

为解决上述技术问题，本申请第三方面提供一种计算机存储介质，用于存储程序数据，所述程序数据在被处理器执行时，用于实现上述第一方面的工业机器人示教控制方法。

本申请的有益效果是：本申请将最终力矩下发控制装置，由控制装置来控制各关节处的动力装置驱动机器人进行示教，该最终力矩由换算力矩与所需补偿的重力矩和摩擦力矩叠加获得，其中换算力矩由各关节处的力矩分量与力矩调整参数结合获得，力矩分量由操作人员对工业机器人施加的力和力矩换算至各关节处后获得，进而将力矩分量通过力矩调整参数适应性调整，优化各关节处的换算力矩，降低操作人员进行示教演示的难度，也使各关节能够更柔顺地变化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其他的附图。其中：

图1是本申请工业机器人示教控制方法一实施方式的流程示意图；

图2是本申请工业机器人示教控制方法一实施方式的控制策略图；

图3是本申请电子设备一实施方式的结构示意图；

图4是本申请计算机存储介质一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了降低示教控制的难度，使工业机器人各关节处更柔顺地变化，本申请提出了一种工业机器人示教控制方法。具体请参阅图1，图1是本申请工业机器人示教控制方法一实施方式的流程示意图，本申请的工业机器人示教控制方法应用于一种工业机器人控制系统。

其中，本申请的工业机器人控制系统可以为服务器，也可以为终端设备，还可以为由服务器和终端设备相互配合的系统。相应地，工业机器人控制系统包括的各个部分，例如各个单元、子单元、模块、子模块可以全部设置于服务器中，也可以全部设置于终端设备中，还可以分别设置于服务器和终端设备中。

进一步地，上述服务器可以是硬件，也可以是软件。当服务器为硬件时，可以实现成多个服务器组成的分布式服务器集群，也可以实现成单个服务器。当服务器为软件时，可以实现成多个软件或软件模块，例如用来提供分布式服务器的软件或软件模块，也可以实现成单个软件或软件模块，在此不做具体限定。

需要说明的是，在本申请的工业机器人示教控制方法描述中，统一以控制工业机器人的处理器作为执行主体。

如图1所示，该工业机器人示教控制方法具体包括：

步骤S101：获取工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩。

具体地，工业机器人包括一个当前的初始位置，在当前的初始位置处工业机器人的各关节位置处受重力影响，同时在移动过程中也会受到摩擦力的影响，因此需要计算对当前位置进行补偿的重力矩和摩擦力矩。

进一步地，在获取工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩的步骤之前还包括：获取工业机器人各关节处的位置信息，对位置信息进行差分处理获得工业机器人各关节处的速度信息。其中，工业机器人各关节位置处的位置信息由各关节处的编码器采集，上传给处理器，处理器获取各关节处的位置信息q，对位置信息q进行差分处理以获得预估的速度信息

进而为计算各关节位置处所需补偿的重力矩和摩擦力矩提供参数。

具体地，可通过以下公式计算速度信息

其中，q₁和q₂是t₁和t₂时刻的理想位置，d_t为t₁和t₂的差值，δ₁和δ₂为噪声。通过差分求取速度后，前一项是理想速度，后一项是速度的噪声，由于d_t通常较小会造成噪声对速度预估的误差，因此可使用Butterworth低通滤波器或Kalman滤波器来滤除噪声，以提高速度信息

的准确性。

进一步地，在获得位置信息q和速度信息

后，利用位置信息q计算重力矩τ_g，利用速度信息

计算摩擦力矩τ_f。其中，根据位置信息q通过力矩计算公式将个关节处的重力和力臂相乘，获得重力矩τ_g。

具体地，可通过以下公式计算摩擦力矩τ_f：

其中，F_v为粘性摩擦系数，F_c为库伦摩擦力矩。

步骤S102：获取传感装置所采集的工业机器人当前所受到的力和力矩。

具体地，当操作人员需要拖动工业机器人的末端进行示教演示时，需要对机器人的末端施加一定的力，进而使工业机器人移动到某个重要位置并记录下来。设置在工业机器人末端的传感装置采集工业机器人受到的力和力矩上传给处理器。

进一步地，传感装置为六维力传感器，获取传感装置所采集的工业机器人当前所受到的力和力矩，包括：获取六维力传感器所采集的在笛卡尔坐标系中，工业机器人当前所受到的力和力矩在各自三个方向上的数值。其中，六维力传感器的测量范围广、过载能力强，可以敏感地检测到主受力面的受力中心，有利于获取更准确的力和力矩的参数。

具体地，将六维力传感器采集的x，y，z轴三个方向的力记为f_x、f_y、f_z，力矩记为τ_x、τ_y、τ_z，处理器获取上述6个参数并存储至存储器。

步骤S103：将力和力矩换算至各关节处获得各关节处的力矩分量。

具体地，在获得上述力和力矩对应的参数后，由于六维力传感器采集的数据是从机器人末端采集到的，因此需要将六维力传感器采集的力和力矩换算至工业机器人的各关节处。

具体地，可通过以下公式计算力矩分量τ_n：

其中，n为关节轴号，对于六轴而言则n为6，本申请对此不做具体限定，J为力雅可比已预先设定。通过上述公式可获得换算后的各关节处的力矩分量τ_n。

可选地，当操作人员在拖动工业机器人之前，如果希望工业机器人的任一关节的任一移动方向或转动方向上的位置不发生变化，则操作人员可设定该移动方向或转动方向不可用，也可设定在哪些关节的哪些方向上可以运动。因此，在将力和力矩换算至各关节处获得各关节处的力矩分量之前，包括：获取用户设定的各关节处允许运动的方向，将不允许运动的方向对应的力和/或力矩进行归零处理，以获取各关节处对应的处理力和处理力矩。

具体地，若操作人员需要对任一关节设定一定的限制，限制该关节的某一移动方向和/或转动方向不能使用，处理器获取相应的设置信息，将六维力传感器采集的力f_x、f_y、f_z和力矩信息τ_x、τ_y、τ_z对应的参数进行归零处理，进而获得归零处理后的处理力f_x′、f_y′、f_z′和处理力矩τ_x′、τ_y′、τ_z′。其中，对于某个关节的同一方向上，可设置在该方向上不可移动但保持转动，或设置在该方向上可移动但不可转动，或设置既不能移动也不能转动，可示实际需要进行设置并对数据进行相应的处理，进而使工业机器人的位置调整选择更多样化，可满足单方向/多方向上进行示教演示的需求，对于某些关节的特定方向无需转动的场景适应性更高。

进一步地，若六维力传感器采集的力和力矩信息中有参数经过归零处理，则将力和力矩换算至各关节处获得各关节处的力矩分量的步骤，包括：获取为工业机器人设定的力雅可比，并利用处理力、处理力矩和力雅可比计算各关节处的力矩分量。

具体地，可通过以下公式计算力矩分量τ_n：

其中，计算公式仍保持不变，使用处理后的处理力和处理力矩代入公式计算力矩分量τ_n，该力矩分量τ_n由处理力和处理力矩获得，滤除了不允许运动的方向。

步骤S104：将力矩分量与力矩调整参数结合，以获得各关节处对应的换算力矩。

具体地，将力矩分量与力矩调整参数相乘，以使力矩分量对应力矩调整参数进行缩放，进而获得各关节处对应的换算力矩。通过力矩调整参数对各关节处的力矩分量进行缩小或放大，以获得经过缩放的换算力矩。对于工业机器人的各关节，可为每个关节设置不同的力矩调整参数，也可为部分关节设置相同的力矩调整参数，或者为每个关节设置相同的力矩调整参数。

具体地，可通过以下公式计算换算力矩τ_n′：

τ_n′＝k·τ_n (5)

其中，k为力矩调整参数，k的值越大，则对于力矩分量的放大效果越大，则操作人员在工业机器人的末端可施加相对较小的力即可达成需要的效果。力矩调整参数k越大，则操作人员在拖动工业机器人时会越轻便，用户体验更佳且能够减少所需要的操作人员的人数，甚至可实现单人拖动工业机器人进行示教演示。

进一步地，当存在关节需要进行调整，但是其需要调整的幅度较小时，也可相应将对应关节的力矩调整参数设定为小于其他关节位置的力矩调整参数，以减小操作人员在工业机器人的末端施加的力对需要调整的幅度较小的关节的影响。

步骤S105：将各关节处对应的换算力矩、所需补偿的重力矩和摩擦力矩叠加，以获得各关节处对应的最终力矩。

具体地，将上述步骤S101中获得的所需补偿的重力矩和摩擦力矩与步骤S104中获得的换算力矩叠加以获得最终力矩。

具体地，可通过以下公式计算最终力矩τ_final：

τ_final＝τ′+τ_g+τ_f (6)

其中，τ′为一个关节对应的换算力矩，将每个关节各自对应的换算力矩τ′、重力矩τ_g、摩擦力矩τ_f经过矢量叠加后，获得每个关节对应的最终力矩τ_final。

步骤S106：将最终力矩下发至控制装置，以使控制装置控制各关节处的动力装置驱动工业机器人进行示教。

具体地，将每个关节对应的最终力矩下发给控制装置，再由控制装置来控制个关节处的动力装置驱动工业机器人的关节运动，到达其中一个示教演示的位置，进而将该位置对应的所有参数保存下来，进而再重复上述步骤S101-S105进行下一个位置的示教演示。

在一应用方式中，控制装置为伺服控制器，动力装置为伺服电动机，将最终力矩下发至控制装置，以使控制装置控制各关节处的动力装置驱动工业机器人进行示教，包括：将最终力矩下发给控制装置，进而控制装置将最终力矩转换为输入电流，将输入电流下发至动力装置，以使各关节处的动力装置驱动工业机器人进行示教。对伺服驱动器采用电流环控制策略，以使响应速度快于速度环或位置环控制策略。

进一步地，请参阅图2，图2是本申请工业机器人示教控制方法一实施方式的控制策略图，处理器接收位置信息q，对位置信息差分后获得速度信息

利用位置信息q得到重力矩τ_g，利用速度信息得到摩擦力矩τ_f，对传感装置采集的力和力矩信息进行整合换算得到换算力矩τ′，将τ′叠加τ_g和τ_f得到最终力矩τ_final下发给控制装置，当控制装置为伺服驱动器时，控制装置将最终力矩τ_final转换为输入电流I输入给伺服电动机，伺服电动机获取输入电流I开始工作。采用电流环控制策略在伺服驱动器内部进行运算，减少运算量提高响应速度。使操作人员对工业机器人的末端施加力后，工业机器人能够更快速地响应。

本实施例将最终力矩下发控制装置，由控制装置来控制各关节处的动力装置驱动机器人进行示教，该最终力矩由换算力矩与所需补偿的重力矩和摩擦力矩叠加获得，其中换算力矩由各关节处的力矩分量与力矩调整参数结合获得，力矩分量由操作人员对工业机器人施加的力和力矩换算至各关节处后获得，进而将力矩分量通过力矩调整参数适应性调整，优化各关节处的换算力矩，降低操作人员进行示教演示的难度，也使各关节能够更柔顺地变化。

请参阅图3，图3是本申请电子设备一实施方式的结构示意图，该电子设备10包括相互耦接的存储器101和处理器102，其中，存储器101用于存储程序数据(图未示)，处理器102用于执行程序数据以实现上述实施例中的工业机器人示教控制方法，相关内容的说明请参见上述方法实施例的详细描述，在此不再赘叙。

请参阅图4，图4是本申请计算机存储介质一实施方式的结构示意图，该计算机存储介质20用于存储程序数据200，该程序数据200在被处理器执行时，用于实现上述实施例中的工业机器人示教控制方法，相关内容的说明请参见上述方法实施例的详细描述，在此不再赘叙。

需要说明的是，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的计算机存储介质20包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种工业机器人示教控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩；

获取传感装置所采集的所述工业机器人当前所受到的力和力矩；

将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量；

将所述力矩分量与力矩调整参数结合，以获得所述各关节处对应的换算力矩；

将各关节处对应的所述换算力矩、所需补偿的所述重力矩和所述摩擦力矩叠加，以获得各关节处对应的最终力矩；

将所述最终力矩下发至控制装置，以使所述控制装置控制各关节处的动力装置驱动所述工业机器人进行示教。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量之前，包括：

获取用户设定的各关节处允许运动的方向，将不允许运动的方向对应的所述力和/或所述力矩进行归零处理，以获取各关节处对应的处理力和处理力矩。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述力和力矩换算至所述各关节处获得所述各关节处的力矩分量，包括：

获取为所述工业机器人设定的力雅可比，并利用所述处理力、所述处理力矩和所述力雅可比计算所述各关节处的力矩分量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述力矩分量与力矩调整参数结合，以获得所述各关节处对应的换算力矩，包括：

将所述力矩分量与所述力矩调整参数相乘，以使所述力矩分量对应所述力矩调整参数进行缩放，进而获得所述各关节处对应的换算力矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述最终力矩下发至控制装置，以使所述控制装置控制各关节处的动力装置驱动所述工业机器人进行示教，包括：

将所述最终力矩下发给所述控制装置，进而所述控制装置将所述最终力矩转换为输入电流，将所述输入电流下发至所述动力装置，以使各关节处的所述动力装置驱动所述工业机器人进行示教。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩之前，包括：

获取所述工业机器人各关节处的位置信息，对所述位置信息进行差分处理获得所述工业机器人各关节处的速度信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取所述工业机器人在当前位置时各关节处所需补偿的重力矩和摩擦力矩，包括：

利用所述位置信息计算所述重力矩，利用所述速度信息计算所述摩擦力矩。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感装置为六维力传感器，所述获取传感装置所采集的所述工业机器人当前所受到的力和力矩，包括：

获取所述六维力传感器所采集的在笛卡尔坐标系中，所述工业机器人当前所受到的力和力矩在各自三个方向上的数值。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括相互耦接的存储器和处理器；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

10.一种计算机存储介质，用于存储程序数据，其特征在于，所述程序数据在被处理器执行时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

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