CN107838922B

CN107838922B - 一种机器人免重复示教的方法

Info

Publication number: CN107838922B
Application number: CN201711005740.4A
Authority: CN
Inventors: 张华良; 王智凝; 赵冰洁; 刘意杨
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: CN107838922A

Abstract

本发明涉及一种机器人免重复示教的方法，对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中；OPC UA客户端访问OPC UA服务端地址空间的节点，解析语义化建模信息并转化为XML文件发送给云端服务器；云端服务器解析XML文件，根据机器人本体模型信息库，进行机器人行为解算求取机器人规划指令，形成运动轨迹点配置文件；OPC UA客户端接收运动轨迹点配置文件，经OPC UA通信栈传输给相应的一台或多台机器人控制器，机器人根据获得的运动轨迹点执行操作。本发明采用语义化对设备模型信息和工作描述信息进行封装，实现设备间的互通互联，快速完成配置，设备更换及功能更新通过OPC UA同步，大大提高应用效率。

Description

一种机器人免重复示教的方法

技术领域

本发明涉及一种机器人免重复示教的方法。本发明适用于工业机器人需要重复示教应用场景，尤其适用于多台工业机器人完成同样任务的智能工厂领域。

背景技术

用机器人代替人进行作业时,必须预先对机器人发出指示,规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。要想让机器人实现人们所期望的动作,必须赋予机器人各种信息,首先是机器人动作顺序的信息及外部设备的协调信息；其次是与机器人工作时的附加条件信息；再次是机器人的位置和姿态信息。前两个方面很大程度上是与机器人要完成的工作以及相关的工艺要求有关,位置和姿态的示教通常是机器人示教的重点。

目前机器人示教方式大致有两种:示教器示教和离线编程。示教器示教,指我们通常所说的手把手示教,由人直接搬动机器人的手臂完成一系列操作，机器人控制器记录存储各个运动点信息，之后的机器人可根据指令自动重复该任务。离线编程，是通过软件，在电脑里重建整个工作场景的三维虚拟环境，然后软件可以根据要加工零件的大小、形状、材料，同时配合软件操作者的一些操作，自动生成机器人的运动轨迹，即控制指令，然后在软件中仿真与调整轨迹，最后生成机器人程序传输给机器人。离线编程则充分利用计算机图形学的研究成果,建立机器人及其环境物模型,然后利用计算机可视化编程语言Visual C++(或Visual Basic)进行作业离线规划、仿真,但是它在作业描述上无法做到简单直接，需要使用者具备一定的机器人编程的知识。示教器示教编程门槛低、简单方便、不需要环境模型；对实际的机器人进行示教时，可以修正机械结构带来的误差。示教器示教以其简单直接的优点广泛应用于机器人控制领域。

传统的机器人示教器方式，当机器人位置发生改变的时候，基坐标系、用户坐标系都发生了改变，而已经示教好的机器人无法获知更改后的信息，之前的示教全部作废，需要重新对机器人进行示教。而示教的方法以及过程却没有发生改变，这就导致了需要大量的工作人员来进行重复的工作，同时，各家机器人的示教器五花八门，操作也不一样，编程指令也不一样。示教时要停止机器人工作，这会带来很大的工作量。

因此，针对以上问题，突破传统机器人繁琐重复示教问题，研究基于OPC UA语义化的示教方法，实现数据复用，提高工作效率。

发明内容

针对现有示教器示教的问题，本发明提供了一种机器人免重复示教的方法，方法的核心思想是对机器人环境设备信息、机器人本体的相关基础配置信息，机器人的运动参数及示教器直接示教所产生的数据信息分别进行语义建模，通过OPC UA服务上传至云端服务器；云端通过语义分析，基于尺寸信息库进行机器人行为解算，将规划结果传递给机器人控制器完成机器人编程；其他机器人若需要完成同样的工作，直接通过OPC UA从云端服务器下载至本地，自动完成数据配置，省略繁琐重复的示教过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机器人免重复示教的方法，包括以下步骤：

步骤1：对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中；

步骤2：OPC UA客户端访问OPC UA服务端地址空间的节点，并获得语义化建模信息；解析语义化建模信息并转化为XML文件发送给云端服务器；

步骤3：云端服务器解析XML文件得到环境设备信息、机器人信息及示教信息，根据机器人本体模型信息库，进行机器人行为解算求取机器人规划指令，形成运动轨迹点配置文件；

步骤4：OPC UA客户端接收云端服务器传送的运动轨迹点配置文件，经OPC UA通信栈传输给相应的一台或多台机器人控制器，机器人根据获得的运动轨迹点执行操作；

步骤5：通过OPC UA客户端查询OPC UA服务端节点，若节点信息有变，返回步骤S2，否则继续执行本地任务,重复步骤5。

节点信息有变通过以下步骤得到：对环境设备信息、机器人信息及示教信息中的一种或多种进行修改，然后对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中。

所述对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中包括以下步骤：

将环境设备信息、机器人信息及示教信息构建为基础信息层，写入OPC UA服务端节点中；

将语义描述的环境设备信息、机器人信息及示教信息构建为语义信息层，写入所属OPC UA服务端节点的子节点中；

将基础信息层和语义信息层组合，构建为语义模型层，写入该子节点的下一子节点中。

所述OPC UA服务端与OPC UA客户端之间采用OPC UA通讯协议进行通信，OPC UA客户端与云端之间采用HTTP协议进行通信。

所述机器人信息包括机器人本体的模型信息，机器人的运动参数。

所述环境设备信息包括机器人应用中用到的代加工件、夹具的模型信息。

所述示教信息为机器人在人工示教的过程中记录的动作任务描述信息。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.采用支持云端服务平台的机器人控制器进行应用开发，适用于机器人应用环境复杂多变的特性，避免了机器人重复示教的问题，节约大量的人力物力。

2.采用OPC UA通讯接口，可以自动识别接入到应用环境的设备信息，机器人可以根据工作描述文件，对机器人应用进行动态调整，提高了机器人应用的灵活性和适应性。

3.采用语义化对设备模型信息和工作描述信息进行封装，实现设备间的互通互联，快速完成配置，设备更换及功能更新通过OPC UA同步，大大提高应用效率。

附图说明

图1是本发明实施例的组成框图；

图2是本发明实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示的多机器人工作场景，对机器人A工件、夹具、机器人本体的相关信息、运动参数、示教信息等进行语义化建模，将语义化的数据写入OPC UA的服务器端地址空间的节点中。OPC UA客户端访问服务器，根据语义模型，解析所有信息，并将信息以XML形式，通过HTTP协议传给云端服务器。云端服务器解析XML文件信息，基于机器人本体模型信息库，进行机器人行为解算，并通过机器人行为解算模块求取机器人规划指令，形成控制器的配置文件。当其他的机器人如机器人B需要进行与机器人A同样的操作，或者环境设备发生变化时，无需人工重复示教，通过OPC UA同步更新，向云端服务器发送请求，通过OPC UA客户端，传递给其他机器人控制器，完成自动配置，即能实现自动示教。

所述的语义建模即为语义建模的模型设计，语义加载到数据模型中，包括基础模型层、语义信息层、语义模型层。基础模型层代表设备的基本组成元素集合，语义信息层用语义描述基本组成元素属性，语义模型层将下面两层的数据结合，组成一个带有语义的数据模型。

如图2所示，其执行过程工作流程：

步骤S1：对机器人工件、夹具等环境设备信息、机器人本体的相关信息，机器人的运动参数及示教信息进行语义化建模，并将语义化信息写入OPC UA地址空间的节点中。例如：对机器人需要夹的物体A来举例，将其基本信息例如大小、形状、相对机器人末端位置构建基础信息层，写入OPC UA节点中；将语义描述的信息如bigsmall、shape、position构建语义信息层，写入OPC UA子节点中；将基础信息层和语义信息层组合，构建语义模型层，如明确对应关系，bigsmall代表大小属性、shape代表形状属性、position代表位置信息，语义模型层写入OPC UA下一子节点中。

步骤S2：执行运动控制主程序，同时触发执行OPC UA通信线程。

步骤S3：OPC UA客户端通过通信栈访问服务端，识别服务端设备，并访问地址空间的节点获得语义化建模信息；解析得到环境设备信息、机器人本体的相关信息，机器人的运动参数及示教信息，并转化为XML文件形式发送给云端服务器。

步骤S4：云端服务器解析XML文件，获得机器人环境设备信息、机器人本地相关信息、机器人运动参数及示教器信息。例如针对对机器人需要夹的物体A来举例，获得了大小、形状、相对机器人位置信息。基于机器人本体模型信息库，并通过机器人行为解算模块求取机器人规划指令，形成运动轨迹点配置文件。

步骤S5：OPC UA客户端接收云端服务器传送的运动轨迹点配置文件，经OPC UA通信栈，传输给相应的一台或多台机器人控制器，控制器解析配置文件，安装运动轨迹点运动，更新了机器人操作。

步骤S6：通过OPC UA客户端访问服务端节点，轮询查看节点信息，若有节点信息变化，执行步骤S3，若不是则继续执行本地任务，重复步骤S6的判断。

机器人控制器是基于X86架构的通用计算机平台，运行QNX实时操作***；

通信协议，在OPC UA服务器与客户端之间采用OPC UA通讯协议，OPC UA客户端与云平台之间采用的是HTTP协议；

环境设备包括机器人应用中可能用到的代加工件、夹具、机器人本体等设备，通过UA接口可以将设备模型信息传递给机器人控制器；

示教信息是机器人在人工示教的过程中记录的示教信息文件，是一系列动作任务描述文件，并通过UA接口传递给机器人控制器；

机器人行为结算模块，是结合机器人正逆解算法，应用任务，环境中设备的物理尺寸信息，得到的机器人控制指令，可以用来指导机器人运行。

本发明使用的3个应用场景案例。

1.同种型号的多台机器人需要完成相同动作时。例如使用机器人拧瓶盖，只需要对其中一个机器人进行人工示教，把机器人的本体配置参数以及示教得到的动作信息封装成XML上传给云端服务器。其他机器人从云端服务器中下载，自动配置，即可无需示教完成相同的动作。

2.当机器人的位姿和用户坐标已知时，但是待操作的设备进行了已知方向和距离的移动时。例如拧瓶盖机器人已经示教完成，能够拧开桌子上摆放的瓶盖。但是此时桌子统一向前挪动了5cm，所有的机器人无需重复示教，只需把挪动方向以及距离在语义化建模上进行修改，再将配置文件重新发送给机器人，重新进行配置，即可在线更新动作，节省了大量人力物力。

3.当机器人的位姿和用户坐标未知时，但是所有的机器人都进行相同的改动时。例如摆瓶子的桌子向某一个方向移动了一段距离，距离和方向均未知。通过人工示教其中一个机器人，记录用到的配置以及动作信息，封装成XML上传给云端服务器，其他机器人只需要下载并重新配置即可完成相应的操作。

综上所述，本发明具有良好的可扩展性和适用性，使用支持云服务平台的机器人控制器，能够大幅度的缩短机器人应用的部署周期，降低机器人应用实施成本。同时语义化的描述、OPC UA通信服务能够让本发明机器人控制器适应于各种工业生产场景。

Claims

1.一种机器人免重复示教的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于：节点信息有变通过以下步骤得到：对环境设备信息、机器人信息及示教信息中的一种或多种进行修改，然后对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中。

3.根据权利要求1或2所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于所述对环境设备信息、机器人信息及示教信息进行语义化建模，并写入OPC UA服务端地址空间的节点中包括以下步骤：

将语义描述的环境设备信息、机器人信息及示教信息构建为语义信息层，写入所属OPCUA服务端节点的子节点中；

4.根据权利要求1所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于：所述OPC UA服务端与OPC UA客户端之间采用OPC UA通讯协议进行通信，OPC UA客户端与云端服务器之间采用HTTP协议进行通信。

5.根据权利要求1所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于所述机器人信息包括机器人本体的模型信息，机器人的运动参数。

6.根据权利要求4所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于：所述环境设备信息包括机器人应用中用到的待加工件、夹具的模型信息。

7.根据权利要求1所述的一种机器人免重复示教的方法，其特征在于：所述示教信息为机器人在人工示教的过程中记录的动作任务描述信息。