CN106903670B - 示教装置、机器人操控装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开一种机器人牵引示教感应器、示教装置、机器人操控装置及控制方法，其中机器人牵引示教感应器包括外壳、位于外壳内的手柄、与手柄配合来产生控制信号的若干开关；示教装置、机器人操控装置进一步包括了姿态保持器，能够通过三个电机的协助在三维方向实时对机器人牵引示教感应器的位置进行调整以使示教感应器保持姿态不变；并且还提供了了上述示教装置、机器人操控装置具体操作时的控制方法；本发明的示教装置或机器人操控装置结构简单成本低廉，装置通用性强，可适用于速度、精度要求不很高的工业机械人示教或操作。

Description

示教装置、机器人操控装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，尤其是一种机器人示教技术。可实现机器人的牵引示教。

本发明同时涉及机器人设计领域的机器人控制技术。

背景技术

目前工业机器人的示教主要采用示教盒,通过操作者的眼睛观察，用按键指挥机器人动作，达到观察者认为合适的位置和姿态后，启动计算机将机器人末端各点坐标记录下来，工作时再根据记录数据自动复现示教动作。以该工作方式工作的机器人，无法简单精确地记录较为复杂的轨迹，示教耗时较长，并且对操作者要求较高。

以直接拖动机器人末端实现机器人运动的示教方式称为牵引示教。牵引示教直观、准确、方便，但若要感应到牵引的动作通常则需要使用六维力传感器，使得示教装置成本大大增加。因此也未得到大规模的使用。

申请号为00119275.2、201320489386.8的中国专利申请分别公布了可以直接拖动示教的机器人，其主要实施方式为在机器人本体上进行设计改进，在无额外牵引设备的情况下能够保证手动牵引机器人运行。此方法对于小负载轻型机器人适用，但对于大负载、结构复杂的机器人难以实现。

申请号为201420579247.9的中国专利申请公布了一种机械手示教3D传感手柄，安装于机械手的指端操作者手握3D传感手柄牵引机械手，牵引力传递到微动开关上，控制机械手作跟随运动。该方法虽可实现机械手的运动，但当机械手指端非竖直姿态时，操作者的牵引方向感觉是不符合正常运动方向的，容易造成误操作。

综上所述，研究一种低成本，实现简单，灵活性强的直接示教装置具有重要意义。

发明内容

为了改善工业机器人示教过程，增强机器人牵引时操作者的直观感觉，本发明提供了一种机器人牵引示教感应器，能够通过结构设计直观的给出操作者牵引示教或牵引操作的反馈，并且结构简单成本低廉。

同时，本发明还提供使用上述感应器的示教装置及机器人操控装置，能够进一步的实现感应器的姿态自适应调整，减少误操作。

同时，本发明还提供了上述示教装置及机器人操控装置的控制方法，能够通过控制方法的设计与被控机器人结合而进一步实现直观的牵引示教或牵引操作的反馈，并能够体现出示教装置及机器人操控装置通过简单的结构设计即可实现机器人复杂动作反馈的优势。

为达到上述目的，本发明机器人牵引示教感应器可采用如下技术方案：

一种机器人牵引示教感应器，包括外壳、位于外壳内的手柄、若干开关，所述手柄包括四个手柄杆，且四个手柄杆共同形成“十”字形，所述每个手柄均包含顶面、底面、第一侧面、第二侧面；所述每个手柄的顶面、底面、第一侧面、第二侧面外侧均设有一个对应的开关，且每个手柄的顶面、底面、第一侧面、第二侧面分别抵靠在对应开关的按钮上。

该牵引示教感应器的有益效果为：通过“十”字形手柄及对应设置的若干开关可以直观的通过各个手柄杆与不同开关的配合给出操作者牵引示教或牵引操作的反馈；并且采用的元件，包括外壳，手柄及开关均为成本低廉的元件，使该牵引示教感应器的整体成本低廉，易于制造及推广。

本发明示教装置可采用如下技术方案：

包括上述机器人牵引示教感应器的示教装置还包括用以承载机器人牵引示教感应器的姿态保持器，所述姿态保持器包括第一电机、第二电机、第三电机、固定第一电机的第一支架、固定第二电机的第二支架、固定第三电机的第三支架，且第一电机的输出轴、第二电机的输出轴、第三电机的输出轴相互正交，第一电机的输出轴与机器人牵引示教感应器连接并带动机器人牵引示教感应器转动，第二电机的输出轴与第一支架连接并带动第一支架转动，第三电机的输出轴与第二支架连接并带动第二支架转动。

其中，该示教装置进一步包含了姿态保持器，能够通过三个电机的协助在三维方向实时对机器人牵引示教感应器的位置进行调整以使示教感应器保持姿态不变，从而使得人工牵引时可以保持牵引习惯，更符合人体工程学需要。

该示教装置较之于示教盒示教，可用于复杂示教轨迹的示教，并且可以做到手把手示教，示教人员无需专门培训。而相比用于牵引示教的多维力传感器，具有经济实惠等优点，装置通用性强，可适用于速度、精度要求不很高的工业机械人示教。

本发明机器人操控装置可采用如下技术方案：

包括上述机器人牵引示教感应器的机器人操控装置还包括用以承载机器人牵引示教感应器的姿态保持器，所述姿态保持器包括第一电机、第二电机、第三电机、固定第一电机的第一支架、固定第二电机的第二支架、固定第三电机的第三支架，且第一电机的输出轴、第二电机的输出轴、第三电机的输出轴相互正交，第一电机的输出轴与机器人牵引示教感应器连接并带动机器人牵引示教感应器转动，第二电机的输出轴与第一支架连接并带动第一支架转动，第三电机的输出轴与第二支架连接并带动第二支架转动。

其中，该机器人操控装置同样包含了姿态控制器，有益效果与示教装置的有益效果相同，与示教装置不同的在于示教装置应用于机器人的牵引示教，而机器人操控装置直接应用于机器人的操控。

而所述示教装置或机器人操控装置的控制方法可采用以下技术方案：

所述四个手柄杆设为第一手柄杆、与第一手柄杆延伸方向相反的第二手柄杆、与第一、第二手柄杆垂直延伸的第三手柄杆、与第三手柄杆延伸方向相反的第四手柄杆；

所述第一手柄杆向外拉伸至第三手柄杆一个侧面与第四手柄杆一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一横移信号；

所述第二手柄杆向外拉伸至第三手柄杆另一个侧面与第四手柄杆另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二横移信号；

所述第三手柄杆向外拉伸至第一手柄杆一个侧面与第二手柄杆一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第三横移信号；

所述第四手柄杆向外拉伸至第一手柄杆另一个侧面与第二手柄杆另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第四横移信号；

所述手柄向上移动至四个手柄杆的顶面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一纵移信号；

所述手柄向下移动至四个手柄杆的底面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二纵移信号；

所述手柄顺时针转动至第一手柄杆的一个侧面、第二手柄杆的一个侧面、第三手柄杆的一个侧面、第四手柄杆的一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第一偏转信号；

所述手柄逆时针转动至第一手柄杆的另一个侧面、第二手柄杆的另一个侧面、第三手柄杆的另一个侧面、第四手柄杆的另一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第二偏转信号。

进一步的：

所述第一手柄杆转动至手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一滚转信号；

所述第一手柄杆转动至第一手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二滚转信号；

所述第三手柄杆转动至第三手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一仰俯信号；

所述第三手柄杆转动至第三手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二仰俯信号；

该控制方法通过设置不同的控制信号从而便于将控制信号直接用于对应被控机器人执行端的信号控制输出，即能够使上述示教装置或机器人操控装置简单的结构设计通过控制信号的设置输出而得以实现应有的对执行端的操控功能。

附图说明

图1是本发明示教装置或机器人操控装置的结构示意图。

图2是本发明中机器人牵引示教感应器的俯视图。

图3是机器人牵引示教感应器的侧视图，并展示位于三维坐标轴中的状态。

图4是机器人牵引示教感应器的剖面示意图。

图5是姿态保持器的主视图。

图6是姿态保持器的侧视图。

图7是姿态保持器的俯视图。

图8是柔性机械接口的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，为本实施例中公开的示教装置或者是机器人操控装置；示教装置及操控装置只是应用不同，原理相同，在本实施例中以示教装置为例。

该示教装置包括机器人牵引示教感应器1、姿态保持器2、柔性机械接口3。但应当指出的是，所述牵引示教感应器可以脱离姿态保持器和柔性机械接口单独使用而产生对应的控制信号。

其中牵引示教感应器1包括外壳11、位于外壳内的手柄、若干开关13，所述手柄包括四个手柄杆12，且四个手柄杆12共同形成“十”字形，所述每个手柄12均包含顶面14、底面15、第一侧面16、第二侧面17；所述每个手柄的顶面14、底面15、第一侧面16、第二侧面17外侧均设有一个对应的开关13。且每个手柄的顶面14、底面15、第一侧面16、第二侧面17分别抵靠在对应开关13的按钮上。

在本实施例中，所述开关为价格低廉且寿命长的微动开关，当手柄12位于自由状态时，手柄12被所述若干微动开关的按钮定位在外壳内并且手柄12不按压任何按钮。外壳中另外还可设有辅助定位手柄的若干弹簧，当手柄12位于自由状态时，弹簧能够将手柄12定位在外壳11厚度的中间位置并使手柄12不按压任何按钮。

所述外壳11包括四个分别围绕四个手柄杆的包裹壳体，所述每个包裹壳体均设有顶壁181、底壁182、第一侧壁183、第二侧壁184。每个包裹壳体上设有四个开关13，分别为所述顶壁181上设有一个开关、底壁182上设有一个开关、第一侧壁183上设有一个开关、第二侧壁184上设有一个开关。该四个开关的按钮位于包裹壳体内并抵靠该包裹壳体内的手柄杆上，该四个开关13均设有位于包裹壳体外的接线端（未标号）用以连接机器人控制器。

其中，通过该牵引示教感应器即可以实现本发明提出的控制方法，为方便描述，所述四个手柄杆设为第一手柄杆121、与第一手柄杆121延伸方向相反的第二手柄杆122、与第一、第二手柄杆垂直延伸的第三手柄杆123、与第三手柄杆123延伸方向相反的第四手柄杆124。并且在图3中给出该示教感应器位于三轴坐标图里的状态以方便理解。

所述第一手柄杆121向外拉伸（即如图4中的x正向）至第三手柄杆123一个侧面与第四手柄杆124一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一横移信号；

所述第二手柄杆122向外拉伸（即如图4中的x轴负向）至第三手柄杆123另一个侧面与第四手柄杆124另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二横移信号；

所述第三手柄杆123向外拉伸（即如图4中的y轴正向）至第一手柄杆121一个侧面与第二手柄杆122一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第三横移信号；

所述第四手柄杆124向外拉伸（即如图4中的y轴负向）至第一手柄杆121另一个侧面与第二手柄杆122另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第四横移信号；

所述手柄向上移动（即如图4中的z轴正向）至四个手柄杆的顶面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一纵移信号；

所述手柄向下移动（即如图4中的z轴负向）至四个手柄杆的底面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二纵移信号；

所述手柄顺时针转动至第一手柄杆121的一个侧面、第二手柄杆122的一个侧面、第三手柄杆123的一个侧面、第四手柄杆124的一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第一偏转信号；

所述手柄逆时针转动至第一手柄杆121的另一个侧面、第二手柄杆122的另一个侧面、第三手柄杆123的另一个侧面、第四手柄杆124的另一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第二偏转信号；

所述第一手柄杆121转动至第一手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆122的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一滚转信号；

所述第一手柄杆121转动至第一手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆122的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二滚转信号；

所述第三手柄杆123转动至第三手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆124的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一仰俯信号；

所述第三手柄杆123转动至第三手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆124的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二仰俯信号；

所述第一横移信号、第二横移信号、第三横移信号、第四横移信号、第一纵移信号、第二纵移信号、第一偏转信号、第二偏转信号、第一滚转信号、第二滚转信号、第一仰俯信号、第二仰俯信号分别用以对应被控机器人执行端的信号控制输出。具体的可设置为：第一横移信号控制被控机器人执行端向第一方向横移；第二横移信号控制被控机器人执行端向第二方向横移；且第一方向与第二方向为相反方向；第三横移信号控制被控机器人执行端向第三方向横移；第四横移信号控制被控机器人执行端向第四方向横移；且第三方向与第四方向为相反方向；且第三方向与第一方向垂直或正交；第一纵移信号控制被控机器人执行端向上纵移；第二纵移信号控制被控机器人执行端向下纵移；第一偏转信号控制被控机器人执行端正向偏转、第二偏转信号控制被控机器人执行端反向偏转；且第一方向与第二方向为相反方向；第一滚转信号控制被控机器人执行端正向滚转、第二滚转信号控制被控机器人执行端反向滚转；且第一方向与第二方向为相反方向；第一仰俯信号控制被控机器人执行端正向仰俯、第二仰俯信号控制被控机器人执行端反向仰俯；且第一方向与第二方向为相反方向。

请结合图5至图7所示，承载机器人牵引示教感应器的姿态保持器2包括第一电机21、第二电机22、第三电机23、固定第一电机21的第一支架24、固定第二电机22的第二支架25、固定第三电机23的第三支架26，且第一电机21的输出轴、第二电机22的输出轴、第三电机23的输出轴相互正交，第一电机21的输出轴与机器人牵引示教感应器1连接并带动机器人牵引示教感应器1转动，第二电机22的输出轴与第一支架24连接并带动第一支架24转动，第三电机23的输出轴与第二支架25连接并带动第二支架25转动。姿态保持器接收来自机器人控制器的各个转动关节的信息，通过机器人姿态运算方法进行所在位置的实时姿态计算，以此为自身控制器的输入信号，在自身控制器进行信号取反后，对姿态保持器中的三个电机进行驱动，使得姿态保持器前端的牵引示教感应器1保持姿态不变，从而使得人工牵引时可以保持牵引习惯，更符合人体工程学需要。

并且，请结合图8所示，其中固定在第三支架26上的柔性机械接口3包括转轴31、两个折弯成钝角的金属片32；所述两个金属片32的上端铰接于转轴31；两个金属片32的下端通过螺柱33以及锁紧螺母连接；所述两个金属片之间形成夹持空间，金属片32内侧设有弹性垫34。两片金属片可绕转轴旋转，对应不同机器人夹持部位，调节夹持器开度。将柔性机械接口定位于机器人确定位置后，可旋紧螺母进行夹紧，完成姿态整个示教装置的固定。从而该示教装置可以灵活的进行安装使用，提高了通用性。

综上所述，本实施例中包括机器人牵引示教感应器的示教装置或者控制装置，能够通过结构设计直观的给出操作者牵引示教或牵引操作的反馈，并且结构简单成本低廉。与六维力传感器相比，安装位置限制少，并可大大降低成本。

Claims (9)

1.一种包括机器人牵引示教感应器的示教装置，机器人牵引示教感应器，包括外壳、位于外壳内的手柄、若干开关，所述手柄包括四个手柄杆，且四个手柄杆共同形成“十”字形，每个所述手柄杆均包含顶面、底面、第一侧面、第二侧面；所述每个手柄杆的顶面、底面、第一侧面、第二侧面外侧均设有一个对应的开关，且每个手柄杆的顶面、底面、第一侧面、第二侧面分别抵靠在对应开关的按钮上；

其特征在于：还包括用以承载机器人牵引示教感应器的姿态保持器，所述姿态保持器包括第一电机、第二电机、第三电机、固定第一电机的第一支架、固定第二电机的第二支架、固定第三电机的第三支架，且第一电机的输出轴、第二电机的输出轴、第三电机的输出轴相互正交，第一电机的输出轴与机器人牵引示教感应器连接并带动机器人牵引示教感应器转动，第二电机的输出轴与第一支架连接并带动第一支架转动，第三电机的输出轴与第二支架连接并带动第二支架转动。

2.根据权利要求1所述的示教装置，其特征在于：还包括固定在第三支架上的柔性机械接口；柔性机械接口包括转轴、两个折弯成钝角的金属片；两个所述金属片的上端铰接于转轴；两个所述金属片的下端通过螺柱以及锁紧螺母连接；两个所述金属片之间形成夹持空间。

3.根据权利要求1所述的示教装置，其特征在于：所述开关为微动开关，当手柄位于自由状态时，手柄被若干所述微动开关的按钮定位在外壳内并且手柄不按压任何按钮。

4.根据权利要求1所述的示教装置，其特征在于：外壳中另外还设有辅助定位手柄的若干弹簧，当手柄位于自由状态时，弹簧将手柄定位在外壳厚度的中间位置并使手柄不按压任何按钮。

5.根据权利要求1所述的示教装置，其特征在于：所述外壳包括四个分别围绕四个手柄杆的包裹壳体，每个所述包裹壳体均设有顶壁、底壁、第一侧壁、第二侧壁，每个包裹壳体上设有四个开关，分别为所述顶壁上设有一个开关、底壁上设有一个开关、第一侧壁上设有一个开关、第二侧壁上设有一个开关；该四个开关的按钮位于包裹壳体内并抵靠该包裹壳体内的手柄杆上，该四个开关均设有位于包裹壳体外的接线端用以连接机器人控制器。

6.一种包括机器人牵引示教感应器的机器人操控装置，机器人牵引示教感应器，包括外壳、位于外壳内的手柄、若干开关，所述手柄包括四个手柄杆，且四个手柄杆共同形成“十”字形，每个所述手柄杆均包含顶面、底面、第一侧面、第二侧面；每个所述手柄杆的顶面、底面、第一侧面、第二侧面外侧均设有一个对应的开关，且每个手柄杆的顶面、底面、第一侧面、第二侧面分别抵靠在对应开关的按钮上；

其特征在于：还包括用以承载机器人牵引示教感应器的姿态保持器，所述姿态保持器包括第一电机、第二电机、第三电机、固定第一电机的第一支架、固定第二电机的第二支架、固定第三电机的第三支架，且第一电机的输出轴、第二电机的输出轴、第三电机的输出轴相互正交，第一电机的输出轴与机器人牵引示教感应器连接并带动机器人牵引示教感应器转动，第二电机的输出轴与第一支架连接并带动第一支架转动，第三电机的输出轴与第二支架连接并带动第二支架转动。

7.一种如权利要求1或2所述示教装置或权利要求6所述机器人操控装置的控制方法，其特征在于：所述四个手柄杆设为第一手柄杆、与第一手柄杆延伸方向相反的第二手柄杆、与第一、第二手柄杆垂直延伸的第三手柄杆、与第三手柄杆延伸方向相反的第四手柄杆；

所述第一手柄杆向外拉伸至第三手柄杆一个侧面与第四手柄杆一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一横移信号；

所述第二手柄杆向外拉伸至第三手柄杆另一个侧面与第四手柄杆另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二横移信号；

所述第三手柄杆向外拉伸至第一手柄杆一个侧面与第二手柄杆一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第三横移信号；

所述第四手柄杆向外拉伸至第一手柄杆另一个侧面与第二手柄杆另一个侧面分别按压对应的开关按钮，输出一个第四横移信号；

所述手柄向上移动至四个手柄杆的顶面分别按压对应的开关按钮，输出一个第一纵移信号；

所述手柄向下移动至四个手柄杆的底面分别按压对应的开关按钮，输出一个第二纵移信号；

所述手柄顺时针转动至第一手柄杆的一个侧面、第二手柄杆的一个侧面、第三手柄杆的一个侧面、第四手柄杆的一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第一偏转信号；

所述手柄逆时针转动至第一手柄杆的另一个侧面、第二手柄杆的另一个侧面、第三手柄杆的另一个侧面、第四手柄杆的另一个侧面分别抵靠对应的开关按钮，输出一个第二偏转信号；

所述第一横移信号、第二横移信号、第三横移信号、第四横移信号、第一纵移信号、第二纵移信号、第一偏转信号、第二偏转信号分别用以对应被控机器人执行端的信号控制输出。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述第一手柄杆转动至第一手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一滚转信号；

所述第一手柄杆转动至第一手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第二手柄杆的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二滚转信号；

所述第三手柄杆转动至第三手柄杆的底面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，输出一个第一仰俯信号；

所述第三手柄杆转动至第三手柄杆的顶面按压对应的开关按钮，即同时第四手柄杆的底面按压对应的开关按钮，输出一个第二仰俯信号；

第一滚转信号、第二滚转信号、第一仰俯信号、第二仰俯信号同样分别用以对应被控机器人执行端的信号控制输出。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：第一横移信号控制被控机器人执行端向第一方向横移；第二横移信号控制被控机器人执行端向第二方向横移；且第一方向与第二方向为相反方向；

第三横移信号控制被控机器人执行端向第三方向横移；第四横移信号控制被控机器人执行端向第四方向横移；且第三方向与第四方向为相反方向；且第三方向与第一方向垂直或正交；

第一纵移信号控制被控机器人执行端向上纵移；第二纵移信号控制被控机器人执行端向下纵移；

第一偏转信号控制被控机器人执行端正向偏转转动、第二偏转信号控制被控机器人执行端反向偏转；

第三仰俯信号控制被控机器人执行端正向仰俯、第四仰俯信号控制被控机器人执行端反向仰俯；

第五滚转信号控制被控机器人执行端正向滚转、第六滚转信号控制被控机器人执行端反向滚转。