CN104552299A - 一种机器人离线示教装置及补偿示教方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人领域，本发明公开一种机器人离线示教装置的误差补偿方法，能够对各种示教关节臂通过测试和分析其***本身误差对运动参数的影响，然后通过修正其参数从而达到实现目标机器人精确的程序控制，体现很大柔性；同时，降低示教操作难度，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，以减少繁琐的机器人轨迹修正的过程，大大提高编程效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人离线示教装置及补偿示教方法。
背景技术
目前，现有工业机器人编程主要有3种形式：1)在线示教编程：即在机器人现场，由操作者手动操作示教盒引导机器人终端按工作轨迹移动，并记录机器人关节角度信息，形成程序；机器人自动工作时，由控制器读出存储的位置信息并驱动机器人重复示教时的轨迹和操作。2)机器人离线编程：利用计算机技术建立机器人及其工作的虚拟环境，对机器人所要完成的工作任务进行离线规划和编程，并对编程的结果进行动态计算仿真，最后形成满足要求的工作程序再传输给机器人控制***。3)虚拟示教编程***：利用计算机技术直接在计算机中构建虚拟环境和虚拟机器人，在虚拟的模型中引入机器人机构、场景和约束条件，操作者在虚拟环境下，通过人机接口引导机器人的末端执行器在虚拟环境中进行虚拟示教，产生机器人作业轨迹，生成机器人控制程序，并进行相应的仿真与优化，传送给机器人执行。其中，方法1)最为直观，但示教过程需要克服机器人的重力、关节阻力等，劳动强度大，且有时受工作环境限制，难以适用所有工作场合。方法3)由于需要花费很大精力构建虚拟工作环境，且在计算机上操作虚拟机器人不如现场示教方便。因此2)成为最为常见的机器人程序控制方法。
但现有的离线编程示教***在示教过程由于自身重力、振动等非确定的因素造成无动力示教关节臂运动参数存在***误差，如何消除这些***误差对无动力示教关节臂运动参数影响，从而生成目标机器人正确的控制程序成为无动力示教关节臂***质量关键指标之一。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种消除示教关节臂***在示教过程受其本身误差的机器人离线示教装置及补偿示教方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机器人离线示教装置，包括：示教关节臂，用于演示机器人操作；
光学角度编码器，用于连续采集具有六自由度的示教关节臂在运动中各关节的角度信息；
下位机，用于将运动轨迹生成计算机可读编码存储起来并能和上位机实时通讯；
上位机，用于将计算机可读编码向任意机器人发送执行命令。
一种机器人离线补偿示教方法，包括上述机器人离线示教装置，采用六自由度的示教关节臂作为示教采集单元，在示教关节臂各个关节上安装光学角度编码器，每个光学角度编码器都能够独立的且同时完成角度信息的数据采集，在示教关节臂的六个轴上安装具有广播功能的绝对式编码器，将示教的产生运动轨迹变成编码传到下位机，再由下位机传到上位机(计算机)进行程序优化，最终测试合格形成机器人程序。
设置一上位机向绝对式编码器发送广播指令，六个绝对式编码器会在同时接收到这个广播指令，然后将各自此刻的数据记录下来反馈给上位机；并设置一STM主板在上位机接收反馈之前或之后逐一向六个绝对式编码器读取采集单元的信息。
进一步的，所述PC为上位机，所述STM主板为STM32F103xx增强型系列。
本发明与现有技术相比具有的益效果为：能够对各种示教关节臂通过测试和分析其***本身误差对运动参数的影响，然后通过修正其参数从而达到实现目标机器人精确的程序控制，体现很大柔性；同时，降低示教操作难度，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，以减少繁琐的机器人轨迹修正的过程，大大提高编程效率。
附图说明
图1是机器人离线示教装置示意图；
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供了一种机器人离线示教装置，包括：示教关节臂，用于演示机器人操作；光学角度编码器，用于连续采集具有六自由度的示教关节臂在运动中各关节的角度信息；下位机，用于将运动轨迹生成计算机可读编码存储起来并能和上位机实时通讯；上位机，用于将计算机可读编码向任意机器人发送执行命令。
一种机器人离线补偿示教方法，包括上述机器人离线示教装置，采用六自由度的示教关节臂作为示教采集单元，在示教关节臂各个关节上安装光学角度编码器和数据处理单元，每个单元都能够独立的且同时完成角度信息的数据采集，在示教关节臂的六个轴上安装具有广播功能的绝对式编码器；
设置一上位机向绝对式编码器发送广播指令，六个绝对式编码器会在同时接收到这个广播指令，然后将各自此刻的数据记录下来反馈给上位机；并设置一STM主板在上位机接收反馈之前或之后逐一向六个绝对式编码器读取采集单元的信息。
上述方法基本原理主要体现为：
1、采用运动灵活、测量范围大、可折叠、占地空间小的六自由度关节臂***做为人工示教运动轨迹的采集器。机器人作为工作时执行器。两者都是串联式的机械结构，其误差的来源很多，主要可以概括成如下两大部分：示教关节臂采集轨迹误差和机械手再现轨迹误差。
2、误差评定方法，机器人再现效果取决于示教时位姿和机器人工作时位姿之间的重合度。也就是说关节臂示教轨迹和机器人再现轨迹重合度是***误差的评价标准。其中轨迹重合度包括两个方面：位置重合度和对应位置的姿态重合度。一次示教喷釉过程中可以用公式1表示喷枪的位姿轨迹，机械手再现喷釉过程中喷枪的位姿轨迹可以用公式2表示。
为了进行误差分析，需要一个简单有效的评价方法来评估误差的大小。对于6自由度关节臂***而言，位置和姿态矩阵的表达式都是六个4X4的矩阵相乘得来的方程。这些表达式非常繁琐，计算也极不方便。而且直接测量喷枪的位姿不易实现。本发明采用沿喷炬中心距离喷枪一定长度的虚拟点M的位置来对喷枪的位置和姿态来评价。因为M的的位置是喷枪位置和姿态的函数。示教时M点的位置可以表述为公式3，机械手再现轨迹时M点的位置可以表述为公式4。
P'示教(t)＝f(P示教(t),R示教(t))＝[x示教(t),y示教(t),z示教(t)] (3)
P'再现(t)＝f(P再现(t),R再现(t))＝[x再现(t),y再现(t),z再现(t)] (4)
可以用示教t时刻M点的位置和再现喷釉时M点的距离偏差作为误差的评定函数。即：
距离偏差e(t)越小，则示教时喷枪的位姿和再现时喷枪的位姿重合度越小；反之，则重合度低。采用距离偏差e(t)来评价示教再现***的误差简单直观，且便于测量。
3、示教关节臂位姿采集误差建模与补偿，总结分析了示教轨迹采集***误差的来源，并基于DH方法建立了示教关节臂位姿采集的误差模型。采用数值计算和图形仿真的方法，对示教关节臂误差模型进行了研究。基于Matlab绘制了关节转角、关节扭角及其他线性参数偏差在各关节转的时对位姿采集误差的影响分布图。提出了一种基于改进模拟退火算法的示教***误差补偿方法。
首先通过连续采集关节臂在喷釉过程中各关节的角度信息，然后通过运动学正解计算得到喷枪的位置姿态轨迹，接着通过计算机计算得到工业机械手运动参数，编译成工业机械手能够识别的运动代码，最后通过以太网发送给机械手控制***。为了实现上述过程对关节臂电控***进行了设计。
进一步的，所述PC为上位机，所述STM主板为STM32F103xx增强型系列；所有数据采集单元通过RS485总线方式与控制主板通讯。控制主板主要负责数据的处理和把处理好的数据打包发给PC机，实现数据采集的功能。
其中，示教关节臂采集喷枪位姿和姿态时要保证采集数据与实际动作的同步性，采集的数据必须是6个编码器数据是在同一时刻采集的。而主控机对编码器的访问时一次只能对一个访问，这样采集回来的数据是具有时间差的。为了达到同步性，利用该款编码器的广播功能：当主控机发一条记录数据的广播指令，六个编码器会在同时接收到这个广播指令，然后将各自此刻的数据记录下来，STM主板接着对6个编码器逐一访问读取记录的数据。
为了实现STM32主板与PC机的通讯，需要定义两者之间的通讯协议，本文中两者的通讯协议如表1和表2所示：
表1 STM32主板上传PC数据协议
表2 PC机发送数据协议
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 (3)
1.一种机器人离线示教装置，包括：示教关节臂，用于演示机器人操作；
光学角度编码器，用于连续采集具有六自由度的示教关节臂在运动中各关节的角度信息；
下位机，用于将运动轨迹生成计算机可读编码存储起来并能和上位机实时通讯；
上位机，用于将计算机可读编码向任意机器人发送执行命令。
2.一种机器人离线补偿示教方法，包括上述权利要求1所述的机器人离线示教装置，其特征在于，采用六自由度的示教关节臂作为示教采集单元，在示教关节臂各个关节上安装光学角度编码器，每个光学角度编码器都能够独立的且同时完成角度信息的数据采集，在示教关节臂的六个轴上安装具有广播功能的绝对式编码器，将示教的产生运动轨迹变成编码传到下位机，再由下位机传到上位机(计算机)进行程序优化，最终测试合格形成机器人程序。
设置一上位机向绝对式编码器发送广播指令，六个绝对式编码器会在同时接收到所述广播指令，然后将各自此刻的数据记录下来反馈给上位机；并设置一STM主板在上位机接收反馈之前或之后逐一向六个绝对式编码器读取采集单元的信息。
3.根据权利要求2所述的一种机器人离线补偿示教方法，其特征在于，所述PC为上位机，所述STM主板为STM32F103xx增强型系列。
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