CN109129417A - 基于压力传感器阵列的协作机器人***及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压力传感器阵列的协作机器人***及其实现方法，***包括示教器、控制器和协作机器人，所述协作机器人包括运动控制模块和传感器阵列；方法包括：根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动；根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向；根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，生成运动控制指令；根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。本发明的成本较低且实用性高，可广泛应用于智能机器人领域。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，尤其是基于压力传感器阵列的协作机器人***及其实现方法。
背景技术
目前，市场上非协作机器人在人机协作安全设置的方法上普遍存在两个问题：一是为了保护人身安全，需要设置安全光栅，加大了设备及成本投入；二是操作复杂，不熟练操作的人员无法操作机器人。协作机器人能够解决这些问题。协作机器人的实现方式主要是在机械臂关节安装一个压力传感器，通过这个压力传感器把机械臂外部接触力转化成力矩，当拖拽示教时，人接触机器人时，压力传感器检测到人的接触力的方向和大小，机器臂沿着力矩的方向以与力矩大小成正相关的速度移动，从而实现拖拽示教；当正常工作时，当机械臂检测到外界接触力矩时，机器人停止，实现防碰撞。但是，现有的这种用压力传感器检测力矩的协作机器人在检测力矩时，需要排除机械臂本身的重量和惯性对检测结果的影响，而且不能检测受力点位置，不够实用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种成本低且实用性高的，基于压力传感器阵列的协作机器人***及其实现方法。
本发明所采取的第一技术方案是：
基于压力传感器阵列的协作机器人***，包括示教器、控制器和协作机器人，所述协作机器人包括运动控制模块和传感器阵列；其中：
所述示教器用于设定协作机器人的运动轨迹；
所述传感器阵列用于通过设于协作机器人表面的若干个传感器单元来获取力矩感应信号；
所述控制器，用于根据传感器阵列获取的多个力矩感应信号，计算出合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，并根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向来生成运动控制指令；
所述运动控制模块，用于根据控制器发送的运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
进一步，所述示教器包括按键模块，所述按键模块用于获取用户的输入指令，并将输入指令发送到控制器。
进一步，还包括报警装置，所述报警装置用于根据控制器的控制指令，进行报警提示。
进一步，所述协作机器人还包括定位模块，所述定位模块用于获取协作机器人的位置信息。
本发明所采取的第二技术方案是：
基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，包括以下步骤：
根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动；
根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向；
根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，生成运动控制指令；
根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
进一步，所述根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向这一步骤，包括以下步骤：
分别获取传感器阵列中多个传感器单元的受力点位置、力矩大小和受力方向；
根据多个传感器单元的力矩大小和受力方向，计算合成力的力矩方向向量；
根据合成力的力矩方向向量，计算合成力的力矩大小；
根据多个传感器单元的受力点位置，计算合成力的受力点位置。
进一步，所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，包括以下步骤：
判断协作机器人的运动停靠点是否为示教点，若是，则将运动停靠点记录为示教点，并执行下一步骤；反之，则返回根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；
判断协作机器人的示教运动是否结束，若是，则停止协作机器人的运动动作；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤，直至协作机器人的示教运动结束。
进一步，所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，还包括以下步骤：
判断传感器阵列是否收到接触力矩感应信号，若是，则通过控制器发出停止运动指令，然后控制协作机器人停止运动；反之，则执行下一步骤；
判断协作机器人是否运动结束，若是，则不做处理；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤。
进一步，所述通过控制器发出停止运动指令，控制协作机器人停止运动这一步骤，还包括以下步骤：
判断协作机器人的运动故障是否已经排除，若是，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；反之，则通过报警装置发出报警提示。
进一步，所述多个传感器单元按照设定间隙设于协作机器人外表面。
本发明的有益效果是：本发明在协作机器人上增设了传感器阵列，所述传感器阵列包括多个设于协作机器人外表面的传感器单元，本发明根据传感器阵列获取的多个力矩感应信号，计算出合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，并根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向来生成运动控制指令，最后根据运动控制指令来控制协作机器人的运动，本发明的协作机器人在示教以及实际工作过程中，无需设置安全光栅，成本较低，且不会受到机械臂本身的重量和惯性对力矩检测结果的影响，能够得到合成力的受力点位置、力矩大小以及受力方向，实用性高。
附图说明
图1为本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***的整体结构框图；
图2为本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例中协作机器人的示教状态的流程图；
图4为本发明实施例中协作机器人的工作状态的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***，包括示教器、控制器和协作机器人，所述协作机器人包括运动控制模块和传感器阵列；其中：
所述示教器用于设定协作机器人的运动轨迹；
所述传感器阵列用于通过设于协作机器人表面的若干个传感器单元来获取力矩感应信号；
所述控制器，用于根据传感器阵列获取的多个力矩感应信号，计算出合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，并根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向来生成运动控制指令；
所述运动控制模块，用于根据控制器发送的运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
进一步作为优选的实施方式，所述示教器包括按键模块，所述按键模块用于获取用户的输入指令，并将输入指令发送到控制器。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括报警装置，所述报警装置用于根据控制器的控制指令，进行报警提示。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述协作机器人还包括定位模块，所述定位模块用于获取协作机器人的位置信息。
参照图2，本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，包括以下步骤：
根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动；
根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向；
根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，生成运动控制指令；
根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
其中，本发明的传感器阵列由各个传感器单元组成，每个传感器单元对应着一个协作机器人机械臂的相应空间位置，各个传感器单元能检测到垂直于传感器单元表面的接触力矩大小，然后由控制器合成各传感器单元收到的力矩大小，最终根据各传感器单元的相对空间位置计算出力矩方向和受力点。
进一步作为优选的实施方式，所述根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向这一步骤，包括以下步骤：
分别获取传感器阵列中多个传感器单元的受力点位置、力矩大小和受力方向；
根据多个传感器单元的力矩大小和受力方向，计算合成力的力矩方向向量；
根据合成力的力矩方向向量，计算合成力的力矩大小；
根据多个传感器单元的受力点位置，计算合成力的受力点位置。
进一步作为优选的实施方式，所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，包括以下步骤：
判断协作机器人的运动停靠点是否为示教点，若是，则将运动停靠点记录为示教点，并执行下一步骤；反之，则返回根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；
判断协作机器人的示教运动是否结束，若是，则停止协作机器人的运动动作；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤，直至协作机器人的示教运动结束。
进一步作为优选的实施方式，所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，还包括以下步骤：
判断传感器阵列是否收到接触力矩感应信号，若是，则通过控制器发出停止运动指令，然后控制协作机器人停止运动；反之，则执行下一步骤；
判断协作机器人是否运动结束，若是，则不做处理；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤。
进一步作为优选的实施方式，所述通过控制器发出停止运动指令，控制协作机器人停止运动这一步骤，还包括以下步骤：
判断协作机器人的运动故障是否已经排除，若是，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；反之，则通过报警装置发出报警提示。
进一步作为优选的实施方式，所述多个传感器单元按照设定间隙设于协作机器人外表面。
下面分别以协作机器人的示教状态和工作状态为例，详细说明本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***的具体工作流程：
参照图3，协作机器人在示教状态下的具体工作流程为：
S101、操作人员通过示教器上的按键模块输入示教开始指令，然后由操作人员拖曳协作机器人进行运动；
S102、协作机器人在拖曳运动过程中，通过传感器阵列获取操作人员的力矩信息；
其中，步骤S102具体为：分别通过多个传感器单元获取力矩的大小、受力方向和受力位置。
S103、根据获取到的力矩信息，计算出合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向；
在本实施例中，传感器单元的位置采用矩阵来表示，以垂直于单位传感器表面的方向为z轴方向(即)。记第i个传感器单元的位置矩阵为记第i个传感器单元的力矩大小为fi，则第i个传感器单元的受力方向向量为设合成力的力矩的大小是标量fS；单位方向向量是由于协作机器人的运动速度v与力矩大小成正比(即v＝k*fs)，所以协作机器人的运动方向与单位方向向量相同。其中，代表相对于参考坐标系的传感器单元的位置坐标轴系的n轴方向向量；代表相对于参考坐标系的传感器单元的位置坐标轴系的a轴方向向量；代表相对于参考坐标系的传感器单元的位置坐标轴系位置向量；ax代表向量在参考坐标系x轴上的分量；ay代表向量在参考坐标系y轴上的分量；az代表向量在参考坐标系z轴上的分量；
综上，计算合成力的方向向量为合成力的单位方向向量为合成力的力矩大小为合成力的受力点位置向量为
S104、根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向来生成运动控制指令。
S105、协作机器人根据运动控制指令，移动到预设的运动停靠点，并将该停靠点标记为示教点；
S106、判断协作机器人的示教运动是否结束，若是，则停止协作机器人的运动动作；反之，则返回执行步骤S101，直至协作机器人的示教运动结束。
参照图4，协作机器人在工作状态下的具体工作流程为：
S201、操作人员通过示教器上的按键模块输入工作开始指令，协作机器人根据示教器设定的运动轨迹进行运动。
S202、协作机器人在运动过程中，通过传感器阵列获取操作人员的力矩信息；
其中，步骤S202具体为：分别通过多个传感器单元获取力矩的大小、受力方向和受力位置。
S203、判断协作机器人在运动过程中是否收到接触力矩，若是，则执行步骤S204；反之，则执行步骤S205；
S204，通过控制器发出停止运动指令，然后控制协作机器人停止运动；
其中，所述步骤S204还包括以下步骤：
判断协作机器人的运动故障是否已经排除，若是，则返回步骤S201；反之，则通过报警装置发出报警提示。
S205、判断协作机器人是否运动结束，若是，则不做处理；反之，则返回步骤S201。
综上所述，本发明基于压力传感器阵列的协作机器人***及其实现方法，具有以下优点：
1)、本发明的协作机器人在示教以及实际工作过程中，无需设置安全光栅，成本较低；
2)、本发明不会受到机械臂本身的重量和惯性对力矩检测结果的影响，能够得到合成力的受力点位置、力矩大小以及受力方向，实用性高。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.基于压力传感器阵列的协作机器人***，其特征在于：包括示教器、控制器和协作机器人，所述协作机器人包括运动控制模块和传感器阵列；其中：
所述示教器用于设定协作机器人的运动轨迹；
所述传感器阵列用于通过设于协作机器人表面的若干个传感器单元来获取力矩感应信号；
所述控制器，用于根据传感器阵列获取的多个力矩感应信号，计算出合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，并根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向来生成运动控制指令；
所述运动控制模块，用于根据控制器发送的运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
2.根据权利要求1所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***，其特征在于：所述示教器包括按键模块，所述按键模块用于获取用户的输入指令，并将输入指令发送到控制器。
3.根据权利要求1所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***，其特征在于：还包括报警装置，所述报警装置用于根据控制器的控制指令，进行报警提示。
4.根据权利要求1所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***，其特征在于：所述协作机器人还包括定位模块，所述定位模块用于获取协作机器人的位置信息。
5.基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动；
根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向；
根据合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向，生成运动控制指令；
根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作。
6.根据权利要求5所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：所述根据传感器阵列获取的若干个力矩感应信号，计算合成力的受力点位置、合成力的力矩大小以及合成力的受力方向这一步骤，包括以下步骤：
分别获取传感器阵列中多个传感器单元的受力点位置、力矩大小和受力方向；
根据多个传感器单元的力矩大小和受力方向，计算合成力的力矩方向向量；
根据合成力的力矩方向向量，计算合成力的力矩大小；
根据多个传感器单元的受力点位置，计算合成力的受力点位置。
7.根据权利要求5所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，包括以下步骤：
判断协作机器人的运动停靠点是否为示教点，若是，则将运动停靠点记录为示教点，并执行下一步骤；反之，则返回根据示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；
判断协作机器人的示教运动是否结束，若是，则停止协作机器人的运动动作；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤，直至协作机器人的示教运动结束。
8.根据权利要求7所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：所述根据运动控制指令，控制协作机器人的运动动作这一步骤，还包括以下步骤：
判断传感器阵列是否收到接触力矩感应信号，若是，则通过控制器发出停止运动指令，然后控制协作机器人停止运动；反之，则执行下一步骤；
判断协作机器人是否运动结束，若是，则不做处理；反之，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤。
9.根据权利要求8所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：所述通过控制器发出停止运动指令，控制协作机器人停止运动这一步骤，还包括以下步骤：
判断协作机器人的运动故障是否已经排除，若是，则返回通过示教器设定的示教运动轨迹，控制协作机器人运动这一步骤；反之，则通过报警装置发出报警提示。
10.根据权利要求6所述的基于压力传感器阵列的协作机器人***的实现方法，其特征在于：所述多个传感器单元按照设定间隙设于协作机器人外表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190104 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |