CN103350421A - 一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法及控制装置，控制方法，包括步骤：S10、喷枪被驱动进行喷釉作业进而带动关节臂运动，同时，所有位置传感器分别记录关节臂上各自所对应的转动副的角度信息；S20、所有位置传感器将步骤S10中所记录的关节臂每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给上机；S30、所述上位机对接收到的关节臂每个转动副的角度信息进行处理与编译，生成机器人程序；S40、所述上位机将步骤S30中生成的机器人程序传送到生产线的机器人中。该控制方法面向低端用户的无动力关节臂工业机器人示教***，让机器人模仿无动力关节臂运动，极大地降低了成本和示教操作难度，使整个生产线达到熟练技工的技能水平。

Description

一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及机器人应用领域，更具体的，涉及一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法及控制装置。

背景技术

在当今工业生产领域，工业机器人发挥着越来越显著的作用。机械手的研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机器人可以代替人类进行单调、频繁和重复的长时间作业或危险、恶劣环境下的作业，比起传统人工生产，有着高效稳定等不可替代的优势，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

目前工业机器人编程方法主要有两种，离线编程和示教编程。

离线编程是利用计算机图形学成果，借助计算机图形处理工具建立几何模型，通过轨迹规划算法来获取作业轨迹，再将作业轨迹发送到机器人以实现机器人编程。这种方法对工人技术要求高，且不成熟，因此只作为一种辅助手段，没有得到广泛的应用。

示教编程包括示教盒示教和导引式示教。通过操作示教盒,或由人工导引机器人末端执行器(喷枪等)，使机器人完成预期的动作，以获取作业轨迹。相对于离线编程实用性强，操作简便，因此大部分机器人都采用示教编程。

采用示教盒示教虽然操作简单，但在一些工艺较为复杂的曲面轨迹上，需要完成繁杂的示教工作，效率低，而且在卫浴、洁具、五金、家具等行业，操作工人的知识水平普遍较低，难以掌握示教盒方式的复杂操作。另一方面，传统的引导式示教将引导式示教功能集成在机器人中，这种机器人成本高，维护性差，而且机器笨重，引导不灵活，难以获得高精度的作业轨迹。由此可见，无论是示教盒式教还是传统的引导式示教，都存在着不可忽视的缺陷。这些缺陷限制了示教编程的应用，更进一步限制了机器人在生产线的应用。

我国陶瓷行业快速发展，是世界上最大的陶瓷生产国、出口国和消费大国，预计未来几年我国陶瓷产业市场价值超过百亿，但我国还未是陶瓷生产强国，与日本及西方国家仍然存在较大的差距，主要体现在关键工艺过程的处理。其中，陶瓷生产过程中关键工艺过程的处理一般用到关节臂机器人，所以关节臂机器人得到了越来越广泛的应用。但现有技术中对关节臂机器人的编程方法同样主要采用离线编程和示教编程，所以存在以上问题。并且还存在成本较高，示教操作难度大，不适合学历水平较低或计算机技术水平不高的操作工人使用等缺陷。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提供一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法及控制装置，该控制方法面向低端用户的无动力关节臂工业机器人示教***，让机器人模仿无动力关节臂运动；只需一台示教***即可示教任意台数的普通机器人，极大地降低了成本和示教操作难度；并且能把熟练技工的操作经验通过机械臂沉淀下来，使整个生产线达到熟练技工的技能水平，适合学历水平较低和计算机技术水平不高的操作工人使用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，包括步骤:

步骤S10、喷枪被驱动进行喷釉作业进而带动关节臂运动，同时，所有位置传感器分别记录关节臂上各自所对应的转动副的角度信息；

步骤S20、所有位置传感器将步骤S10中所记录的关节臂每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给上位机；

步骤S30、所述上位机对接收到的关节臂每个转动副的角度信息进行处理与编译，生成机器人程序；

步骤S40、所述上位机将步骤S30中生成的机器人程序传送到生产线的机器人中。

作为优选，在步骤S20中，所有位置传感器将步骤S10中所记录的关节臂每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给数据处理装置，数据处理装置将角度信息进行处理后再向上位机传送。

作为优选，所述数据处理装置由485芯片和Arm芯片相连接而成。

作为优选，所述关节臂采用具有6个转动副的关节臂。

作为优选，在步骤S20中，所有位置传感器将关节臂每个转动副的角度信息通过RS232、RS485或CAN总线发送给上位机。

作为优选，所述位置传感器采用绝对式传感器。

作为优选，所述关节臂采用无动力关节臂。

作为优选，所述关节臂采用铝合金材料制造而成。

一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置，包括：

关节臂，其输出端安装有一个喷枪，并且每个转动副上均安装有一个用于采集每个转动副的角度信息的位置传感器；

上位机，其通过通讯总线与每个转动副上的位置传感器相连，能够向关节臂每个转动副上的位置传感器发送广播与查询信号，并且能够接收所有位置传感器传送的转动副角度信息，进而对接收到的转动副角度信息进行处理，生成机器人程序；

机器人，其通过通讯总线与上位机相连，能够接收上位机传送的机器人程序，并能够根据机器人程序在生产线进行相应操作。

作为优选，所述关节臂和上位机之间还设置有连接两者的数据处理装置。

本发明的有益效果为，由于本发明所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法将示教***和生产线的机器人分离，从而只需一台示教***即可示教任意台数的普通机器人，极大地降低了成本。由于示教***采用简单高效的无动力关节臂引导，相对于离线编程***，本装置更适合学历水平较低，计算机技术水平不高的操作工人使用,可以促进机器人在工业生产的应用。由于控制***能把熟练技工的操作经验通过机械臂沉淀下来，所以可使整个生产线达到熟练技工的技能水平。由于该控制方法使用自行开发的可视化机械臂仿真软件，可实时监控机械臂的工作位姿状态与示教***的工作状态，降低示教操作难度。该控制方法可以替代繁重的工人劳动力，大大降低人工成本，同时仍能保证产品的质量。并且可以使得更多低端制造业加入到机器人生产的环境，特别对于现在陶瓷喷釉，抛光打磨，还有其他喷涂生产线。解决大部分企业用工困难，劳动力成本偏高的问题，降低成本，提高产品附加值。

附图说明

图1为本发明第一种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法流程图；

图2为本发明第二种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法流程图；

图3为本发明第一种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置结构示意图；

图4为本发明第二种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化控制装置结构示意图。

图中：

11、喷枪；12、关节臂；13、位置传感器；14、上位机；15、机器人；

21、喷枪；22、关节臂；23、位置传感器；24、上位机；25、机器人；26、数据处理装置；

161、485芯片；162、Arm芯片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明所公开的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置是一个包括位姿信号采集***，其尺寸与生产线机器人一致的关节臂。总控***通过通讯总线对位置传感器进行广播和查询，关节臂没有动力，引导灵活，带有位置传感器与信号通信***，能记录自身位姿信号以获取作业轨迹。将关节臂代替机器人在生产线上示教，把产生的作业轨迹信号（一个数据序列）通过通信电路传输给上位机，由上位机编译成机器人程序，然后把程序的传送给机器人，机器人即可在生产线上再现作业轨迹，实现一种简单高效的示教方式。

具体的，如图3所示出的本发明第一种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置结构示意图，该种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置包括关节臂12、上位机14和机器人15。

关节臂12的臂长及运动结构与工业机器人一致，关节臂12具有6个转动副，并且每个转动副上均安装有一个位置传感器13，位置传感器13用于采集每个转动副的角度信息。当然，所述关节臂12转动副的个数并不局限于6个，也可以少于或多于6个。在关节臂12的输出端安装有一个与实际喷釉工作时一样的喷枪11。并装有手柄装置，工人能持住手柄拖动。

于本实施例中，作为另一种优选方式，关节臂12为无动力关节臂。

于本实施例中，作为再一种优选方式，为了能使关节臂更灵活，减轻工人拖动的难度，关节臂12采用铝合金材料，可以降低整机重量。优选在部分轴上加入阻尼装置、平衡装置。

上位机14通过通讯总线与每个转动副上的位置传感器13相连，能够向关节臂每个转动副上的位置传感器13发送广播与查询信号，并且能够接收所有位置传感器13传送的转动副角度信息，进而对接收到的转动副角度信息进行处理，生成机器人程序。

于本实施例中，作为优选方案，位置传感器13采用绝对式编码器，绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。

于本实施例中，通讯总线优选为RS232、RS485,CAN总线或并口方式等。

机器人15通过通讯总线与上位机14相连，能够接收上位机14传送的机器人程序，并能够根据机器人程序在生产线进行相应操作。

图1为本发明第一种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法流程图。如图1所示，该种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法包括以下步骤:

步骤S10、工人拖动喷枪11进行喷釉作业进而带动关节臂12完成工作路径，同时，上位机14向关节臂12每个转动副上的位置传感器13发送广播与查询信号，所有位置传感器13分别记录关节臂12上各自所对应的转动副的角度信息，这样，所有的位置传感器能够记录整个关节臂工作的时候的作业轨迹。

步骤S20、位置传感器13调零，所有位置传感器13将步骤S10中所记录的关节臂12每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给上位机14。所述位置传感器13传输给上位机14的信息即为一系列的数据。

步骤S30、所述上位机14对接收到的关节臂12每个转动副的角度信息进行处理与编译，利用C++或其它语言编制机器人仿真程序，实时仿真关节臂的运动状态，并且生成相对应的机器人文件。

步骤S40、所述上位机14将步骤S30中生成的机器人程序传送到生产线的机器人15中。机器人根据机器人程序即可实现示教再现。

于本实施例中，作为优选方案，在步骤S20中，所有位置传感器13将关节臂12每个转动副的角度信息通过RS232、RS485,CAN、并口方式等发送给上位机14。

图4为本发明第二种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置结构示意图，该种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置包括关节臂22、数据处理装置26、上位机24和机器人25。

关节臂22具有6个转动副，并且每个转动副上均安装有一个位置传感器23，在关节臂22的输出端安装有一个与实际喷釉工作时一样的喷枪21。机器人25通过通讯总线与上位机24相连。与具体实施例一不同之处在于，所述关节臂22上的位置传感器23的数据输出端通过第一通讯总线和数据处理装置26相连接，数据处理装置26的数据输出端通过第二通讯总线和上位机24相连。作为优选方案，所述数据处理装置26由485芯片161和Arm芯片162相连接而成，位置传感器23数据输出端和485芯片161相连接，Arm芯片162的数据输出端和上位机24相连。于本实施例中，作为优选方案，第一通讯总线和第二通讯总线均可选用RS232、RS485,CAN总线和并口方式等。其余均和具体实施例一相同。

图2为本发明第二种实施例提供的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法流程图。如图2所示，该种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法包括以下步骤:

步骤S10、工人拖动喷枪21进行喷釉作业进而带动关节臂22完成工作路径，同时，上位机24向关节臂22每个转动副上的位置传感器23发送广播与查询信号，所有位置传感器分别记录关节臂22上各自对应的转动副的角度信息，这样，所有的位置传感器能够记录整个关节臂22工作的时候的作业轨迹。

步骤S20、位置传感器23调零，所有位置传感器23将步骤S10中所记录的关节臂22每个转动副的角度信息通过第一通讯总线发送给数据处理装置26，数据处理装置26将角度信息进行处理后再通过第二通讯总线传送到上位机24。所述位置传感器23传输给数据处理装置26的信息即为一系列的数据。

具体的，数据处理装置26通过第一通讯总线对位置传感器23进行广播和查询,位置传感器23获取的数据通过总线发送给数据处理装置26,并存储于数据处理装置26。同时数据处理装置26通过第二通讯总线（RS232、RS485、CAN总线等）与上位机24通讯（PC机或者示教终端），将数据发送到上位机24。

步骤S30、所述上位机24对接收到的关节臂22每个转动副的角度信息进行处理与编译，利用C++或其它语言编制机器人仿真程序，实时仿真关节臂的运动状态，并且生成相对应的机器人文件。

步骤S40、所述上位机24将步骤S30中生成的机器人程序传送到生产线的机器人25中。机器人25根据机器人程序即可实现示教再现。

主要技术指标：

机械臂重量：15Kg

示教精度：1-2mm

执行末端关节速度：最大10m/s

运动范围：2.1m

采集频率：5-10Hz

数据处理时间：100ms

本发明提供的这种新的模拟熟练工人操作的自动化控制方法，把以往工业机器人示教环节简单化，降低示教难度与时间。解决现在工业机器人在低端行业使用困难的问题，降低工业机器人使用门槛，并能大大提高生产效率，缩短产品开发周期。不仅操作简单高效，引导灵活，对工人技术要求低，而且可以实现一台关节臂示教***即可示教任意台的机器人等传统示教方式无法实现的优势，极大地降低了示教成本。因此，相对于传统示教方式，在有复杂曲面的编程工作（如喷涂工作）上，有着无法比拟的优势。

本发明技术方案有如下创新点：

1）传统的工业机器人示教编程工作方式有以下不足。

a)机器人在线示教不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要。

b)编程占用机器人作业时间。

b)复杂的机器人作业，很难用示教方式完成。

d)运动规划的失误会导致机器人间及机器人与固定物的相撞，破坏生产,编程者在现场完全性低。

本发明公开的无动力关节臂与生产线机器人分离，降低成本，继承了离线编程的优点，示教试验可在实验室工作，完成后再传送程序到产线上机器人，减少停机时间，提高效率。

2）不需要工人进行复杂的操作，只关心生产工艺即可。

传统示教盒编程方法要求工人事先对机器人的运动轨迹和工作过程非常清楚并有丰富的工作经验和娴熟的示教技巧。但是示教程序的灵活性差和实际生产中产品质量难于保证是这种编程方法所面临的普遍问题。机器人语言编程一般适用于装配、点焊、弧焊、搬运等有明确起始点的工序，对于喷涂任务则不太适合。

3）处理好关节臂的坐标标定与机器人坐标之间数据转换关系，一台关节臂可示教多种型号机器人，柔性强。

关节臂***采集到的是关节角度信息，示教不同型号机器人时，关节空间变量必须转换成直角坐标空间的轨迹，再进一步转换到被示教机器人的等效关节空间变量。对此，可以通过运动学逆解得到相应的关节位置，用雅可比矩阵计算关节速度，用逆雅可比矩阵及其导数计算角加速度。

4）该***带来了是一种新的机器人使用方式，有望使得机器人在广大的生产行业内得到大规模应用，有助于加快国家的产业转型升级。

该***核心在于关节臂采集位置数据并转换成机器人程序，使机器人再现运动轨迹。在关节臂末端轴上安装喷枪，工人在启动数据采集之后开始拖动关节臂末端带动喷枪进行一次喷釉试验，试喷结果达到要求后才将此次试验中***生成的运动程序复制到生产线上的机器人再现生产。

本发明所述的控制方法及控制装置可以应用于陶瓷生产过程中的喷秞工艺，替代繁重的工人劳动力，大大降低人工成本，同时仍能保证产品的质量。其应用前景将不仅限于陶瓷生产行业，在具有复杂曲线的工作轨迹的应用场合，如零件抛光打磨、喷漆、焊接等方面也将得到广泛应用，与传统机器人相比，成本得到较大的降低，效率提高空间大。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，包括步骤:

步骤S10、喷枪（11，21）被驱动进行喷釉作业进而带动关节臂（12，22）运动，同时，所有位置传感器（13，23）分别记录关节臂（12，22）上各自所对应的转动副的角度信息；

步骤S20、所有位置传感器（13，23）将步骤S10中所记录的关节臂（12，22）每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给上位机（14，24）；

步骤S30、所述上位机（14，24）对接收到的关节臂（12，22）每个转动副的角度信息进行处理与编译，生成机器人程序；

步骤S40、所述上位机（14，24）将步骤S30中生成的机器人程序传送到生产线的机器人（15，25）中。

2.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，在步骤S20中，所有位置传感器（23）将步骤S10中所记录的关节臂（22）每个转动副的角度信息通过通讯总线发送给数据处理装置（26），数据处理装置（26）将角度信息进行处理后再向上位机（24）传送。

3.根据权利要求2所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，所述数据处理装置（26）由485芯片（261）和Arm芯片（262）相连接而成。

4.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，所述关节臂（12，22）采用具有6个转动副的关节臂。

5.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，在步骤S20中，所有位置传感器（13，23）将关节臂（12，22）每个转动副的角度信息通过RS232、RS485或CAN总线发送给上位机（14，24）。

6.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，所述位置传感器（13，23）采用绝对式传感器。

7.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，所述关节臂（12，22）采用无动力关节臂。

8.根据权利要求1所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制方法，其特征在于，所述关节臂（12，22）采用铝合金材料制造而成。

9.一种模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置，其特征在于，包括：

关节臂（12，22），其输出端安装有一个喷枪（11，21），并且每个转动副上均安装有一个用于采集每个转动副的角度信息的位置传感器（13，23）；

上位机（14，24），其通过通讯总线与每个转动副上的位置传感器（13，23）相连，能够向关节臂每个转动副上的位置传感器（13，23）发送广播与查询信号，并且能够接收所有位置传感器（13，23）传送的转动副角度信息，进而对接收到的转动副角度信息进行处理，生成机器人程序；

机器人（15，25），其通过通讯总线与上位机（14，24）相连，能够接收上位机（14，24）传送的机器人程序，并能够根据机器人程序在生产线进行相应操作。

10.根据权利要求9所述的模拟熟练工人操作的自动化喷釉控制装置，其特征在于，所述关节臂（22）和上位机（24）之间还设置有连接两者的数据处理装置（26）。

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