CN108466266A - 机械臂运动控制方法及*** - Google Patents

机械臂运动控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械臂运动控制方法，包括机械臂的控制器分别读取3D鼠标的姿态和按键以及机械臂的位置和姿态；用3D鼠标按键切换机械臂为关节运动模式或末端运动模式；在关节运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂各关节当前位置，控制器根据采集的控制信息控制机械臂关节运动；在末端运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂末端当前位置，控制器根据采集的控制信息控制机械臂关节运动使机械臂末端到达新位置。本发明还公开了一种实现上述方法的机械臂运动控制***。本发明能够对机械臂进行远程控制，且能够同时控制机械臂的关节运动和末端运动。

Description

机械臂运动控制方法及***
技术领域
本发明属于机械控制技术领域，特别涉及一种机械臂欲动控制方法及***。
背景技术
目前在工业现场主要是使用示教以及在线编程的方式控制机械臂的应用，这种方法已经较为成熟并被各大机器人厂商广泛采用。但在很多情况下，例如在需要远程控制机械臂或者没有足够条件安装示教器的情况下上述方法并不适用。尤其是对于安装在移动平台上的机械臂而言，无法通过有线连接示教器的方式来控制机械臂的运动。此外现有技术中还可以使用遥控操作杆对机械臂进行简单的远程控制，但无法达到同时对机械臂进行关节运动控制和末端运动控制的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能够对机械臂进行远程控制，且能够同时控制机械臂的关机运动和末端运动的机械臂运动控制方法及***。
为解决上述技术问题，本发明所提供的机械臂运动控制方法包括以下步骤：
S1：机械臂的控制器分别读取3D鼠标的姿态和按键以及机械臂的位置和姿态。
S2：用3D鼠标按键切换机械臂为关节运动模式或末端运动模式。
在关节运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂各关节当前位置，控制器根据采集的3D鼠标控制信息计算机械臂对应关节相对于当前位置的增加或者减少值，并将新的关节位置发送到机械臂，机械臂运动到新的坐标位置。
在末端运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂末端当前位置，控制器根据采集的3D鼠标的控制信息计算机械臂末端相对于当前坐标的坐标轴的增加或者减少值，并将新的坐标值发送到机械臂，机械臂运动到新的坐标位置。
在上述技术方案中，控制器采集3D鼠标的控制信号以及机械臂当前的位置和姿态数据，并根据所述控制信号、位置和姿态数据控制机械臂做出相应运动，从而实现了利用3D鼠标对机械臂运动的控制。由于3D鼠标外形小巧，使用方便，因而利用其对机械臂运动进行控制既具有更好的便捷性，又能够扩展适用环境，例如不适合有线连接示教器的环境。上述技术方案利用3D鼠标按键切换机械臂为关节运动模式或末端运动模式，进而控制器根据3D鼠标的控制信息分别对机械臂进行关节运动控制或者末端运动控制，从而达到了同时控制机械臂的关机运动和末端运动的目的，使得机械臂的运动更加精确，加之3D鼠标本身使用的便捷性，也使得机械臂的运动控制的灵活性更高。
作为本发明技术方案的进一步改进，在关节运动模式下，3D鼠标左右移动控制机械臂第一关节正反转动，3D鼠标前后移动控制机械臂第二关节正反转动，3D鼠标上下移动控制机械臂第三关节正反转动，3D鼠标长按按键加左右移动控制机械臂第四关节正反转动，3D鼠标长按按键加前后移动控制机械臂第五关节正反转动，3D鼠标长按按键加上下移动控制机械臂第六关节正反转动。在末端运动模式下，3D鼠标上下移动控制机械臂末端相对于基坐标系Z轴上下运动，3D鼠标前后移动控制机械臂末端相对于基坐标系X轴前后运动，3D鼠标左右移动控制机械臂末端相对于基坐标系Y轴前后运动，3D鼠标长按按键加上下移动控制机械臂末端相对于基坐标系Z轴正反转动，3D鼠标长按按键加前后移动控制机械臂末端相对于基坐标系X轴正反转动，3D鼠标长按按键加左右移动控制机械臂末端相对于基坐标系Y轴正反转动。
上述技术方案充分利用了3D鼠标的立体控制功能，通过3D鼠标本身的姿态变化即可实现对机械臂运动的全方位立体控制，控制过程更加便捷灵活。由于机械臂的每个关节均能够得到控制，进一步提高了机械臂运动的精确性。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述控制器与3D鼠标之间和/或所述控制器与机械臂之间采用无线通讯，从而使得本方法不受线路的限制，适合于各种使用情景下，例如在移动平台上或者其他不适合使用线路以及示教器的情景下的机械臂的运动控制，适用范围更广，并且采用无线通讯方式也实现了对机械臂的运动的远程控制。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述控制器与机械臂之间采用基于TCP/IP协议的无线连接，传输距离远，适合于控制器对机械臂的远程控制。
所述控制器与机械臂之间采用socket方式进行数据传输，适合于控制器与机械臂之间的数据传输和远程控制。
为解决上述技术问题，本发明所提供的机械臂运动控制***包括控制器以及3D鼠标，所述控制器分别与3D鼠标以及机械臂进行数据传输，所述控制器用于采集3D鼠标的控制信号以及机械臂当前的位置和姿态数据，并根据所述控制信号、位置和姿态数据控制机械臂做出相应运动。
在上述技术方案中，控制器采集3D鼠标的控制信号以及机械臂当前的位置和姿态数据，并根据所述控制信号、位置和姿态数据控制机械臂做出相应运动，从而实现了利用3D鼠标对机械臂运动的控制。由于3D鼠标外形小巧，使用方便，因而利用其对机械臂运动进行控制既具有更好的便捷性，又能够扩展适用环境，例如不适合有线连接示教器的环境。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述机械臂的运动包括关节运动和末端运动，从而控制器根据3D鼠标的控制信息分别对机械臂进行关节运动控制或者末端运动控制，达到了同时控制机械臂的关机运动和末端运动的目的，使得机械臂的运动更加精确，加之3D鼠标本身使用的便捷性，也使得机械臂的运动控制的灵活性更高。
作为本发明技术方案的进一步改进，通过所述3D鼠标按键切换关节运动模式和末端运动模式，切换便利性更高。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述控制器与3D鼠标之间和/或所述控制器与机械臂之间采用无线通讯，从而使得本***不受线路的限制，适合于各种使用情景下，例如在移动平台上或者其他不适合使用线路以及示教器的情景下的机械臂的运动控制，适用范围更广，并且采用无线通讯方式也实现了对机械臂的运动的远程控制。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的***示意图。
图2是本发明具体实施方式中六关节机械臂的结构示意图。
图3是本发明具体实施方式中3D鼠标的动作示意图。
图中：1，3D鼠标；1.1，按键；2，控制器；3，机械臂；6-1，第一关节；6-2，第二关节；6-3，第三关节；6-4，第四关节；6-5，第五关节；6-6，第六关节；6-7，机械臂末端。
具体实施方式
在本文所给出的实施方式中，该机械臂运动控制方法，包括以下步骤：
S1：机械臂3的控制器2分别读取3D鼠标1的姿态和按键以及机械臂3的位置和姿态。
S2：用3D鼠标1的按键切换机械臂3为关节运动模式或末端运动模式，例如可以采用双击按键的方式进行切换。
在关节运动模式下，控制器2采集3D鼠标1的控制信息并获取机械臂3各关节当前位置，控制器2根据采集的3D鼠标1控制信息计算机械臂3对应关节相对于当前位置的增加或者减少值，并将新的关节位置发送到机械臂3，机械臂3运动到新的坐标位置。
在末端运动模式下，控制器2采集3D鼠标1的控制信息并获取机械臂末端6-7当前位置，控制器2根据采集的3D鼠标1的控制信息计算机械臂末端6-7相对于当前坐标的坐标轴的增加或者减少值，并将新的坐标值发送到机械臂3，机械臂3运动到新的坐标位置。
如图1所示，在本文所给出的实施方式中，用于实现上述机械臂运动控制方法的机械臂运动控制***包括控制器2以及3D鼠标1，控制器2分别与3D鼠标1以及机械臂3进行无线通讯，控制器2用于采集3D鼠标1的控制信号以及机械臂3当前的位置和姿态数据，并根据控制信号、位置和姿态数据控制机械臂3做出相应运动。机械臂3的运动包括关节运动和末端运动，且是通过3D鼠标1的按键1.1来切换关节运动模式和末端运动模式，例如可以采用双击按键1.1的方式进行切换。
如图2所示，上述机械臂运动控制方法和***中，机械臂3为六臂结构，各个臂之间通过关节连接。具体的，臂Ⅰ的一端通过第一关节6-1与底座相连，臂Ⅰ的另一端通过第二关节6-2与臂Ⅱ的一端相连，臂Ⅱ的另一端通过第三关节6-3与臂Ⅲ的一端相连，臂Ⅲ的另一端通过第四关节6-4与臂Ⅳ的一端相连，臂Ⅳ的另一端与第五关节6-5与臂Ⅴ的一端相连，臂Ⅴ的另一端通过第六关节6-6与臂Ⅵ相连，臂Ⅵ的另一端与机械臂末端6-7相连。每个关节配置有关节电机，控制器2控制关节电机的运行。
如图3所示，3D鼠标1具有功能切换按键1.1，上述机械臂运动控制方法和***中，3D鼠标1具有六种运动姿态，分别是面对按键左右移动(图3中1-1所示，下文简称左右移动)、面对按键前后移动(图3中1-2所示，下文简称前后移动)、面对按键上下移动(图3中1-3所示，下文简称上下移动)、长按按键加左右移动、长按按键加前后移动、长按按键加上下移动。
控制器2与3D鼠标1之间采用无线通讯，例如可以采用蓝牙通讯，也可以使用其他合适方式。控制器2与机械臂3之间同样采用无线通讯，例如采用基于TCP/IP协议的无线连接，机械臂3的各关节和末端位置(或坐标)和姿态信息通过socket的方式发送至控制器2，控制器2的控制指令通过socket的方式发送到机械臂3。
在上述机械臂运动控制方法和***中，在关节运动模式下，控制器2采集3D鼠标1的控制信息(即3D鼠标1的运动姿态)并获取机械臂3各关节当前位置，控制器2根据采集的3D鼠标1的控制信息计算机械臂3对应关节相对于当前位置的增加或者减少值，例如将对应关节相对于当前位置增加或者减少0.1rad(数据可更改，用于调节速度和精度)，即需要对应关节正、反转(或顺、逆时针转)0.1rad，从而得到新的关节坐标位置，并将计算出的新的关节坐标位置发送到机械臂3，机械臂3执行控制器2的控制指令，对应关节的关节电机运行使关节转动到相应位置，也就相当于机械臂3运动到新的坐标位置。
特别地，在关节运动模式下，3D鼠标1左右移动控制机械臂3第一关节6-1正反转动，对此进一步说明如下：3D鼠标1左右移动时，3D鼠标1内部会发出与其左右移动相对应的姿态信号并发送至控制器2，控制器2将姿态信号对等或者翻译为控制机械臂3第一关节6-1正反转动的信号(例如需要第一关节6-1相对于当前位置正或反转动0.1rad)，从而得到新的关节坐标位置，并将计算出的新的坐标位置发送给机械臂3。通过控制器2发出的信号机械臂3第一关节电机运行，使第一关节6-1做出相应的转动。其后若控制器2检测到3D鼠标1仍处于左右移动状态，则机械臂3第一关节6-1继续转动(每次的转动单位可以设置为0.1rad或其他合适量)。
同上原理，3D鼠标1前后移动控制机械臂3第二关节6-2正反转动，3D鼠标1上下移动控制机械臂3第三关节6-3正反转动。
若长按按键1.1加左右移动3D鼠标1，则向控制器2发出较长时间的稳定的按键信号，且控制器2收到左右移动的姿态信号，控制器2将收到这两种3D鼠标信号对等或者翻译为控制机械臂3第四关节6-4正反转动的信号(例如需要第四关节6-4相对于当前位置正或反转动0.1rad)，从而得到新的关节坐标位置，并将计算出的新的坐标位置发送给机械臂3。通过控制器2发出的信号机械臂3第四关节电机运行，使第四关节6-4做出相应的转动。其后若控制器2检测到3D鼠标1仍处于长按按键1.1加左右移动状态，则机械臂3第四关节6-4继续转动(可以将每次的转动单位设置为0.1rad或其他合适量)。
同上原理，3D鼠标1长按按键1.1加前后移动控制机械臂3第五关节6-5正反转动，3D鼠标1长按按键1.1加上下移动控制机械臂3第六关节6-6正反转动。
在末端运动模式下，控制器2采集3D鼠标1的控制信息(即3D鼠标1的运动姿态)并获取机械臂末端6-7当前位置，控制器2根据采集的3D鼠标1的控制信息计算机械臂末端6-7相对于当前坐标的坐标轴的增加、减少值或者相对于坐标轴的正、反转动值，例如将机械臂末端6-7相对于当前位置对应的某个或某些坐标轴增加或者减少0.01或者相对于某个坐标轴正、反转(或顺、逆时针转)0.1rad(数据可更改，用于调节速度和精度)，从而得到新的机械臂末端6-7坐标位置，并将计算出的新的机械臂末端6-7坐标值发送到机械臂3，机械臂3执行控制器2的控制指令，机械臂末端6-7运动到相应位置，也就相当于机械臂3运动到新的坐标位置。
特别地，在末端运动模式下，3D鼠标1上下移动控制机械臂末端6-7相对于基坐标系Z轴上下运动，对比进一步说明如下：3D鼠标1上下移动时，3D鼠标1内部会发出与其上下移动相对应的姿态信号并发送至控制器2，控制器2将姿态信号对等或者翻译为控制机械臂末端6-7相对于基坐标系Z轴上下运动的信号(例如需要机械臂末端6-7相对于基坐标系Z轴增加或者减少0.01)，从而得到新的机械臂末端6-7坐标位置，并为控制器2内部的机械臂逆运动学算法输入机械臂末端6-7沿Z轴上或下移动后的齐次变换矩阵，通过程序运算得到机械臂3各个关节需要转动的角度。控制器2将机械臂末端6-7的新坐标值发送至机械臂3，在控制器2的控制下，各个关节电机运行使各个关节转动相应的角度，使得机械臂末端6-7运动到新的坐标位置。其后若控制器2检测到3D鼠标1仍处于左右移动状态，则机械臂末端6-7继续运动(每次的运动单位可以设置为0.01或其他合适量)。
同上原理，3D鼠标1前后移动控制机械臂末端6-7相对于基坐标系X轴前后运动，3D鼠标1左右移动控制机械臂末端6-7相对于基坐标系Y轴前后运动。
若长按按键1.1加上下移动3D鼠标1，则向控制器2发出较长时间的稳定的按键信号，且控制器2收到上下移动的姿态信号，控制器2将收到这两种3D鼠标信号对等或者翻译为控制机械臂末端6-7相对于基坐标系Z轴正反转动的信号(例如需要机械臂末端6-7相对于Z轴正或反转动0.1rad)，从而得到新的机械臂末端6-7坐标位置，并为控制器2内部的机械臂逆运动学算法输入机械臂末端6-7沿Z轴正或反转后的齐次变换矩阵，通过程序运算得到机械臂3各个关节需要转动的角度。控制器2将机械臂末端6-7的新坐标值发送至机械臂3，在控制器2的控制下，各个关节电机运行使各个关节转动相应的角度，使得机械臂末端6-7运动到新的坐标位置。其后若控制器2检测到3D鼠标1仍处于长按按键1.1加上下移动状态，则机械臂末端6-7继续运动(每次的运动单位可以设置为0.01或其他合适量)。
同上原理，3D鼠标1长按按键1.1加前后移动控制机械臂末端6-7相对于基坐标系X轴正反转动，3D鼠标1长按按键1.1加左右移动控制机械臂末端6-7相对于基坐标系Y轴正反转动。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.机械臂运动控制方法，包括以下步骤：
S1：机械臂的控制器分别读取3D鼠标的姿态和按键以及机械臂的位置和姿态；
S2：用3D鼠标按键切换机械臂为关节运动模式或末端运动模式；
在关节运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂各关节当前位置，控制器根据采集的3D鼠标控制信息计算机械臂对应关节相对于当前位置的增加或者减少值，并将新的关节位置发送到机械臂，机械臂运动到新的坐标位置；
在末端运动模式下，控制器采集3D鼠标的控制信息并获取机械臂末端当前位置，控制器根据采集的3D鼠标的控制信息计算机械臂末端相对于当前坐标的坐标轴的增加或者减少值，并将新的坐标值发送到机械臂，机械臂运动到新的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的机械臂运动控制方法，其特征在于：在关节运动模式下，3D鼠标左右移动控制机械臂第一关节正反转动，3D鼠标前后移动控制机械臂第二关节正反转动，3D鼠标上下移动控制机械臂第三关节正反转动，3D鼠标长按按键加左右移动控制机械臂第四关节正反转动，3D鼠标长按按键加前后移动控制机械臂第五关节正反转动，3D鼠标长按按键加上下移动控制机械臂第六关节正反转动。
3.根据权利要求1或2所述的机械臂运动控制方法，其特征在于：在末端运动模式下，3D鼠标上下移动控制机械臂末端相对于基坐标系Z轴上下运动，3D鼠标前后移动控制机械臂末端相对于基坐标系X轴前后运动，3D鼠标左右移动控制机械臂末端相对于基坐标系Y轴前后运动，3D鼠标长按按键加上下移动控制机械臂末端相对于基坐标系Z轴正反转动，3D鼠标长按按键加前后移动控制机械臂末端相对于基坐标系X轴正反转动，3D鼠标长按按键加左右移动控制机械臂末端相对于基坐标系Y轴正反转动。
4.根据权利要求1所述的机械臂运动控制方法，其特征在于：所述控制器与3D鼠标之间和/或所述控制器与机械臂之间采用无线通讯。
5.根据权利要求1所述的机械臂运动控制方法，其特征在于：所述控制器与机械臂之间采用基于TCP/IP协议的无线连接。
6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的机械臂运动控制方法，其特征在于：所述控制器与机械臂之间采用socket方式进行数据传输。
7.机械臂运动控制***，其特征在于：包括控制器以及3D鼠标，所述控制器分别与3D鼠标以及机械臂进行数据传输，所述控制器用于采集3D鼠标的控制信号以及机械臂当前的位置和姿态数据，并根据所述控制信号、位置和姿态数据控制机械臂做出相应运动。
8.根据权利要求7所述的机械臂运动控制***，其特征在于：所述机械臂的运动包括关节运动和末端运动。
9.根据权利要求8所述的机械臂运动控制***，其特征在于：通过所述3D鼠标按键切换关节运动模式和末端运动模式。
10.根据权利要求7所述的机械臂运动控制***，其特征在于：所述控制器与3D鼠标之间和/或所述控制器与机械臂之间采用无线通讯。
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