CN1307956A - 一种手把手示教机器人 - Google Patents

Abstract

一种手把手示教机器人,其特别之处在于主要由腰部转动机构、设于腰部转动机构上的大臂摆动机构、设于大臂摆动机构上端的小臂摆动机构、设于小臂摆动机构上的小臂转动机构、设于小臂摆动机构前端的腕部摆动机构和设于腕部摆动机构端部的腕部转动机构构成。本发明与已有技术相比,具有对工件任意复杂形面进行手把手连续轨迹喷涂示教时轻便、顺畅,再现可靠、准确,调试方便、容易、快捷的优点。

Description

一种手把手示教机器人

本发明一种机器人。

现有的电动机器人主要由腰部转动机构、设置于腰部转动机构上的可前后摆动的大臂摆动机构、设置于大臂摆动机构上的可前后摆动的小臂摆动机构、设置于小臂摆动机构端部的可做摆动和转动的腕部摆动机构和腕部转动机构构成，由电机驱动的腰部转动机构、大臂摆动机构、小臂摆动机构、腕部转动机构、腕部摆动机构构成了五自由度机器人，此种机器人，虽然在理论上可在空间的任意两点间移动，但是仅靠腕部摆动机构、腕部转动机构配合大臂摆动机构、小臂摆动机构的幅度较大的摆动和腰部转动机构幅度较大的转动，在工件任意复杂形面上进行手把手连续轨迹喷涂示教时，就显得有点别扭和不够顺畅，而且，示教时电机回路的电磁感应所产生的静力矩也增加了示教时的阻力，使示教变得困难，此外，大臂摆动机构、小臂摆动机构在示教过程中，其自重对支承点会有不平衡力矩，且随运动位置变化，如何抵消大臂摆动机构、小臂摆动机构的不平衡力矩是示教能轻便进行的其中一个关键。

本发明的发明目的在于提供一种示教轻便、顺畅的机器人，特别是一种用于对工件任意复杂形面进行手把手连续轨迹喷涂示教时轻便、顺畅的机器人。

本发明是这样实现的，主要由腰部转动机构、设于腰部转动机构上的大臂摆动机构、设于大臂摆动机构上端的小臂摆动机构、设于小臂摆动机构上的小臂转动机构、设于小臂摆动机构前端的腕部摆动机构和设于腕部摆动机构端部的腕部转动机构构成，腰部转动机构主要由基座、支承在基座上的回转座、固接于基座上带动回转座转动的且带有省力装置的动力机构构成，大臂摆动机构主要由铰接于回转座上的大臂、固接于回转座上带动大臂摆动的且带有省力装置的大臂动力机构构成，小臂摆动机构主要由小臂座、二连杆、固接在回转座上且带有省力装置的小臂动力机构构成，小臂座铰接在大臂的上端，二连杆一端铰接在小臂座上，另一端与固接在回转座上且带有省力装置的小臂动力机构相连，小臂转动机构主要由活接在小臂座上的管筒状小臂、固接在小臂座上带动小臂转动且带有省力装置的小臂转动动力机构构成，腕摆机构主要由活接于小臂其中一端部的腕摆、固接于小臂另一端上且带有省力装置的电机、设置在小臂内的传动机构构成，传动机构一端与电机相连，另一端与腕摆相连，腕转机构主要由固接于腕摆上且带有省力装置的电机，活接于腕摆上的腕转、设置于腕摆内的传动机构构成，传动机构一端与电机相连，另一端与腕转相连，在小臂座铰接在大臂的铰接点与回转座间设有平衡气缸，平衡气缸在回转座上的铰接点的位置是这样设置的，当大臂处于垂直位置时，平衡气缸在回转座上的铰接点位于大臂在回转座上的铰接点与小臂座在大臂上的铰接点的连线上，在回转座与二连杆的主动杆间设有平衡气缸，平衡气缸在回转座上和在二连杆的主动杆上的铰接点的位置是这样设定的，当小臂部分连同腕部部分的重心位于小臂座在大臂的铰接点的正上方时，平衡气缸的两个铰接点与大臂在回转座上的铰接点处于同一条直线上，机器人的控制采用主、从两级计算机控制，主计算机采用工控PC机，各自由度的从计算机采用微处理器，主、从计算机的通信采用并行通信，示教生成的轨迹数据储存在主计算机硬盘上。

这里，省力装置采用的是专利号为97246209.0的专利技术。

工作时，由于采用了平衡气缸和省力装置，示教时，平衡气缸平衡了因大臂、小臂重心的变化而产生的力矩，使手把手能轻便地带动大臂、小臂摆动，省力装置消除了电机回路的电磁感应所产生的静力矩，使示教变得轻便、容易，将驱动腕摆的电机固接在小臂上，将驱动腕转的电机固接在腕摆上，既简化了结构(现有的技术是将两个电机均固接在小臂座上，这样，必须在小臂上设置相应的轴套轴传动机构将电机的动力传输到腕摆、腕转上)，同时也解决了现有技术所存在的耦合问题。所增加的小臂转动机构，使机器人进行喷涂作业时更加适合工件任意复杂的形面，尤其是具有内弯面的工件。

这里，对机器人的控制采用准闭环控制，即不断地检测运动中的关节的当前坐标位置，将检测出的数据与对应的轨迹数据进行比较，当两个数据出现偏差时，依据出现偏差值的大小按公式Y/N进行分级补偿，直至将偏差完全补偿为止，Y；检测数据与轨迹数据间的偏差值，N；2～8。采用上述的准闭环控制，既能有效地解决电机丢步的问题，同时又能避免闭环控制所容易引起的关节颤抖的毛病。

为了使再现的执行精确地重复示教的动作，使控制程序简捷高效、运行速度快，使机器人的运行达到平稳、流畅、可靠的效果，再现执行的数学模型为KI-KT/S，式中KI为由程序控制的可编程输出的脉冲频率值，用于直接控制电机的转速；KT为硬件设置所决定的常数，为双字节的16进制数，具体为7FFEH，相当于十进制的32765；S为示教过程中每相邻两个极短的定时间隔之间的关节运动步数。由于是由人来进行示教，因此，机器人不可能运转很快，在示教过程中相邻两个极短的定时间隔之间(如18毫秒)机器人的运行距离是极短的，采用上述的数学模型来确定机器人再现这一极短距离的示教轨迹的运行速度，既能有效地按示教轨迹再现机器人的运行，同时，所需的与数学模型相配的控制程序简单，运行速度快，能快速有效地将示教生成的数据转换成控制再现执行过程的输出数据。

为了使气缸有相对恒定的拉力，还设有储气罐与气缸相连通。这样，即使气缸内的气体容积随大臂或小臂的摆动而发生变化，气缸内的气压在储气罐的平衡下也不会产生大的变化，这样就保证了气缸有相对恒定的拉力。

为了充分地利用微处理器的硬件功能，方便地调试控制各个关节的应用程序，将仿真开发系统做到各个微处理器上，即将仿真所需的动态调试程序、监控程序置于微处理器ROM的相对固定的空间上，然后在微处理器的单片微机最小系统上连接一调试、仿真用键盘接口，通过接口外接一带有显示系统的从机监控小键盘，以便通过小键盘调用ROM上的调试程序或(和)监控程序来调试控制各个关节的应用程序并显示各个关节的运行状态，需要对控制各个关节的应用程序进行修改时，可通过主计算机编辑或修改程序后，再通过主机与从机间的通信单元将程序下载到微处理器的外部RAM数据、程序储存区，或直接通过小键盘编辑或修改程序后将其置于微处理器的外部RAM数据、程序存储区上，最后在微处理器上结合仿真系统对其进行调试运行，直至这些应用程序符合要求为止，然后将这些符合要求的程序固化到微处理器上的ROM上。由于将仿真系统直接做到各个微处理器上，这样，既简化了结构，降低了制造成本，更提高了开发效率。由于外接一仿真器时，需要将微处理器的CPU更换成仿真器的CPU，因而操作麻烦，而且受微处理器空间的限制，不可能同时在控制各个关节运行的微处理器上连接仿真器，以便同时对多个关节的运行程序进行调试，也由于将通过仿真器测试完成的应用程序固化到微处理器上的ROM的过程复杂，所需时间较长，效率低，采用将仿真系统直接做到微处理器上，要同时对各个关节的运行程序进行测试时，只需在各个微处理器的调试、仿真用键盘接口上外接小键盘就可以，而且在调试过程中所修改或重新编制的有用程序可直接固化到微处理器上的ROM上，操作简单快捷。

本发明与已有技术相比，具有对工件任意复杂形面进行手把手连续轨迹喷涂示教时轻便、顺畅，再现可靠、准确，调试方便、容易、快捷的优点。

图1为本发明机器人的结构示意图；

图2为臂转、腕摆、腕转关节的结构示意图；

图3为平衡气缸的结构示意图；

图4为关节的电路控制图；

图5为小臂动平衡结构示意图。

现结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1、图2所示，本发明手把手示教机器人是这样实现的，主要由腰部转动机构1、设于腰部转动机构1上的大臂摆动机构2、设于大臂摆动机构2上端的小臂摆动机构3、设于小臂摆动机构3上的小臂转动机构4、设于小臂转动机构4前端的腕部摆动机构5和设于腕部摆动机构5端部的腕部转动机构6构成，腰部转动机构1主要由基座7、支承在基座7上的回转座8、固接于基座7上带动回转座8转动的且带有省力装置的动力机构9构成，大臂摆动机构2主要由铰接于回转座8上的大臂10、固接于回转座8上带动大臂10摆动的且带有省力装置的大臂动力机构11构成，小臂摆动机构3主要由小臂座12、二连杆13、固接在回转座8上且带有省力装置的小臂动力机构14构成，小臂座12铰接在大臂10的上端，二连杆13一端铰接在小臂座12上，另一端与固接在回转座8上且带有省力装置的小臂动力机构14相连，小臂转动机构4主要由活接在小臂座12上的管筒状小臂15、固接在小臂座12上带动小臂15转动且带有省力装置的小臂转动动力机构16构成，腕摆机构5主要由活接于小臂15其中一端部的腕摆17、固接于小臂15另一端上且带有省力装置的电机18、设置在小臂15内的传动机构19构成，传动机构19一端与电机18相连，另一端与腕摆17相连，腕转机6构主要由固接于腕摆17上且带有省力装置的电机20，活接于腕摆17上的腕转21、设置于腕摆17内的传动机构22构成，传动机构22一端与电机20相连，另一端与腕转21相连。

在小臂座12铰接在大臂10的铰接点23与回转座8间设有平衡气缸24，平衡气缸24在回转座8上的铰接点25的位置是这样设置的，当大臂10处于垂直位置时，平衡气缸24在回转座8上的铰接点25位于大臂10在回转座8上的铰接点26与小臂座12在大臂10上的铰接点23的连线上，在回转座8与二连杆13的主动杆27间设有平衡气缸28，如图5所示，平衡气缸28在回转座8上铰接点29和在二连杆13的主动杆27上的铰接点14的位置是这样设定的，当小臂部分连同腕部部分32的重心位于小臂座12在大臂10的铰接点23的正上方时，平衡气缸28的两个铰接点14、29与大臂10在回转座8上的铰接点30处于同一条直线上。如图3所示，为了使平衡气缸24和28有相对恒定的拉力，还设有相应的储气罐31分别与平衡气缸24、28相连通。

如图4所示，机器人的控制采用主、从两级计算机控制，主计算机控制整个机器人的运行，从计算机控制各自关节的运行，主计算机采用工控PC机1，各自由度的从计算机采用微处理器2，主、从计算机的通信采用并行通信，示教生成的轨迹数据储存在主计算机硬盘上。工作时，示教所生成的各个关节的运动轨迹数据通过关节位置检测单元3、微处理器2、通信单元4传输到主机上并储存在主计算机硬盘上，机器人运行时，主机经通信单元4微处理器2、驱动单元5和外部传感器信号输入及各种输出口线控制6控制机器人各个关节按示教时的轨迹运行，在运行过程中，驱动单元5和外部传感器信号输入及各种输出口线控制6不断将电机运行状态数据和各个关节的位置状态数据反馈给工控PC机1，以便工控PC机对运行过程中出现的误差作出修正指令，PC机同时驱动喷枪、转台作重复示教时的动作。

这里，对机器人的控制采用准闭环控制，即不断地检测运动中的关节的当前坐标位置，将检测出的数据与对应的轨迹数据进行比较，当两个数据出现偏差时，依据出现偏差值的大小按公式Y/N进行分级补偿，直至将偏差完全补偿为止，Y；检测数据与轨迹数据间的偏差值，N；2～8。

再现执行的数学模型为KI=KT/S，式中KI为由程序控制的可编程输出的脉冲频率值，用于直接控制电机的转速；KT为硬件设置所决定的常数，为双字节的16进制数，具体为7FFEH，相当于十进制的32765；S为示教过程中每相邻两个极短的定时间隔之间的关节运动步数。

如图4所示，将仿真开发系统做到各个微处理器2上，即将仿真所需的动态调试程序、监控程序置于微处理器ROM的相对固定的空间上，然后在微处理器2的单片微机最小系统7上连接一调试、仿真用键盘接口8，通过接口8外接一带有显示系统的从机监控小键盘9，这样，微处理器的单片微机最小系统7、外部RAM数据、程序存储区10、对外部RAM的读、写逻辑11和通过调试、仿真用键盘接口8与微处理器的单片微机最小系统7连接在一起的小键盘9构成了仿真开发系统，通过小键盘9可以直接追踪该系统的程序运行情况及各个相关地址单元的数据，通过主计算机1与从机(微处理器2)间的通信单元4将程序下载到微处理器2的外部RAM数据、程序储存区10，或直接通过小键盘9编辑或修改程序后将其置于微处理器2的外部RAM数据、程序储存区上10，然后在微处理器2上结合仿真系统对其进行调试运行，直至这些应用程序符合要求为止，然后将这些符合要求的程序固化到微处理器2上的ROM上。

Claims (5)

1、一种手把手示教机器人，其特征在于主要由腰部转动机构、设于腰部转动机构上的大臂摆动机构、设于大臂摆动机构上端的小臂摆动机构、设于小臂摆动机构上的小臂转动机构、设于小臂摆动机构前端的腕部摆动机构和设于腕部摆动机构端部的腕部转动机构构成，腰部转动机构主要由基座、旋转活接于基座上的座、固接于基座上带动座转动的且带有省力装置的动力机构构成，大臂摆动机构主要由铰接于座上的大臂、固接于座上带动大臂摆动的且带有省力装置的大臂动力机构构成，小臂摆动机构主要由小臂座、二连杆、固接在座上且带有省力装置的小臂动力机构构成，小臂座铰接在大臂的上端，二连杆一端铰接在小臂座上，另一端与固接在座上且带有省力装置的小臂动力机构相连，小臂转动机构主要由活接在小臂座上的管筒状小臂、固接在小臂座上带动小臂转动且带有省力装置的小臂转动动力机构构成，腕摆机构主要由活接于小臂其中一端部的腕摆、固接于小臂另一端上且带有省力装置的电机、设置在小臂内的传动机构构成，传动机构一端与电机相连，另一端与腕摆相连，腕转机构主要由固接于腕摆上且带有省力装置的电机，活接于腕摆上的腕转、设置于腕摆内的传动机构构成，传动机构一端与电机相连，另一端与腕转相连，在小臂座铰接在大臂的铰接点与座间设有平衡气缸，平衡气缸在座上的铰接点的位置是这样设置的，当大臂处于垂直位置时，平衡气缸在座上的铰接点位于大臂在座上的铰接点与小臂座在大臂上的铰接点的连线上，在座与二连杆的主动杆间设有平衡气缸，平衡气缸在座上和在二连杆的主动杆上的铰接点的位置是这样设定的，当小臂部分连同腕部部分的重心位于小臂座在大臂的铰接点的正上方时，平衡气缸的两个铰接点与大臂在回转座上的铰接点处于同一条直线上，机器人的控制采用主、从两级计算机控制，主计算机采用工控PC机，各自由度的从计算机采用微处理器，主、从计算机的通信采用并行通信，示教生成的轨迹数据储存在主计算机硬盘上。

2、根据权利要求1所述的手把手示教机器人，其特征在于对机器人的控制采用准闭环控制，即不断地检测运动中的关节的当前坐标位置，将检测出的数据与对应的轨迹数据进行比较，当两个数据出现偏差时，依据出现偏差值的大小按公式Y/N进行分级补偿，直至将偏差完全补偿为止，Y；检测数据与轨迹数据间的偏差值，N；2～8。

3、根据权利要求1所述的手把手示教机器人，其特征在于气源与平衡气缸间还设有储气罐。

4、根据权利要求1所述的手把手示教机器人，其特征在于将仿真开发系统做到各个微处理器上，即将仿真所需的动态调试程序、监控程序置于微处理器ROM的相对固定的空间上，然后在微处理器的单片微机最小系统上连接一调试、仿真用键盘接口，通过接口外接一带有显示系统的从机监控小键盘，以便通过小键盘调用ROM上的调试程序或(和)监控程序来调试控制各个关节的应用程序并显示各个关节的运行状态，需要对控制各个关节的应用程序进行修改时，可通过主计算机编辑或修改程序后，再通过主机与从机间的通信单元将程序下载到微处理器的外部RAM数据、程序储存区，或直接通过小键盘编辑或修改程序后将其置于微处理器的外部RAM数据、程序储存区上，然后在微处理器上结合仿真系统对其进行调试运行，直至这些应用程序符合要求为止，然后将这些符合要求的程序固化到微处理器上的ROM上。

5、根据权利要求1所述的手把手示教机器人，其特征在于再现执行的数学模型为KI=KT/S，式中KI为由程序控制的可编程输出的脉冲频率值，用于直接控制电机的转速；KT为硬件设置所决定的常数，为双字节的16进制数，具体为7FFEH，相当于十进制的32765；S为示教过程中每相邻两个极短的定时间隔之间的关节运动步数。

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