CN110919639A - 一种关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人技术领域，公开了一种关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法，包括示教臂法兰盘、示教臂法兰盘底臂、第一示教臂关节、示教臂中臂、第二示教臂关节、示教臂上臂以及第三示教臂关节，示教臂法兰盘底臂的底部焊接有示教臂法兰盘，示教臂法兰盘底臂的顶部通过第一示教臂关节活动连接示教臂中臂，示教臂中臂通过第二示教臂关节活动连接示教臂上臂，示教臂通过示教臂法兰盘安装在机器人的法兰盘上组成串联式示教，本发明提出串联式示教和并联式示教两种新颖的示教方法，借助于示教机械臂，解决传统示教盒示教这种方法示教效率低，交互性差，对操作人员编程要求高等问题，使得示教过程更为简单，方便。

Description

一种关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法。

背景技术

工业机器人广泛应用于焊接，喷涂，打磨抛光，码垛等工业领域，传统示教盒对于复杂轨迹的示教不友好，示教时间长，难度高。工业上亦可采用离线示教的方式来对复杂轨迹进行示教，然而离线编程需要提供准确的三维模型，同时需要机器人有较高的绝对定位精度，后续轨迹调整过程复杂且不直观。借助于第三方辅助示教装置，改变传统示教方法来简化现有示教过程具有急切的现实需求。

发明内容

发明的目的在于提供一种关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法，，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种关节式示教臂，包括示教臂法兰盘、示教臂法兰盘底臂、第一示教臂关节、示教臂中臂、第二示教臂关节、示教臂上臂以及第三示教臂关节，所述示教臂法兰盘底臂的底部焊接有示教臂法兰盘，所述示教臂法兰盘底臂的顶部通过第一示教臂关节活动连接示教臂中臂，示教臂中臂通过第二示教臂关节活动连接示教臂上臂，示教臂上臂远离第二示教臂关节的一端连接有第三示教臂关节，示教臂通过示教臂法兰盘安装在机器人的法兰盘上组成串联式示教，机器人安装在底座上。

进一步地，第一示教臂关节、第二示教臂关节以及第三示教臂关节均设置有编码器，编码器与上位机PC电连接，上位机PC与机器人控制器电连接。

进一步地，编码器选择RS485异步串行通讯，采取轮询的方式进行数据采集。

进一步地，底座的坐标系为O，机器人与示教臂连接的末端的坐标系为A，示教臂与机器人连接的末端的坐标系为B，示教臂远离机器人的一端的坐标系为C。

本发明提供另一种技术方案：一种关节式示教臂的示教方法，包括如下步骤：

步骤一：串联式示教过程中机器人处于静止状态，通过读取示教器上各个关节的角度，计算得到机器人的末端位姿；

步骤二：后将示教臂连接机器人，通过人手拖动示教臂画出实际需要的轨迹，在此过程中示教臂各关节编码器采集数据；

步骤三：后经过上位机PC数据处理得到示教轨迹。

进一步地，机器人末端位姿矩阵相对于其基坐标系的其次变换矩阵为：

其中

为机器人关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵，

示教臂末端位姿矩阵相对其基坐标末端位姿矩阵的其次变换矩阵为：

其中

为示教臂关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵，

示教臂末端位姿相对于机器人基坐标系的变换矩阵为：

进一步地，示教方式还包括并联式，将机器人与示教臂在空间中平行放置，其步骤包括：

第一步：设立坐标系，机器人的基坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，示教臂的基坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，两者拥有同一的参考坐标系即工件坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃。T₂ ¹，T₁ ³， T₂ ³分别表示，坐标系1相对于坐标系2之间的变换矩阵、坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵和坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵；

第二步：T₂ ³变换矩阵能够通过对示教臂数据进行处理求得，T₁ ²可以通过三点标定法求得，根据坐标变换：

第三步：在工件坐标系的基准平面内取3个点p₁,p₂,p₃，且这三个点不共线，以P₁为原点，P₁P₂方向为X方向，以垂直于该平面的法向量方向为Z轴，完成坐标系3的构建；

第四步：让示教臂依次移动到三点，记录下示教臂的末端位姿p² ₁,p² ₂,p² ₃；再让机器人依次运动到这三个点，记录下机器人的末端位姿p¹ ₁,p¹ ₂,p¹ ₃。

进一步地，坐标系3的构建方法，取：

分别为坐标系3的x轴方向和z轴方向向量，那么y轴方向向量为：

得到坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵为：

得到坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵为：

由

便可得到机器人坐标系1相对于示教臂坐标系2的变换矩阵。

进一步地，并联式示教将上位机PC和示教臂作为客户端，机器人控制器作为服务器，上下位机软件之间通过以太网进行通信，上位机PC与机器人控制器直接通过交叉缆线连接，在上位机上编写客户端程序，同时对示教臂编码器做数据采集和数据处理，上位机PC与机器人控制器之间通信协议栈由 Socket实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法，提出串联式示教和并联式示教两种新颖的示教方法，示教臂与一般通用六自由度工业机器人有相似结构，示教臂由人手拖动末端达到预期位姿，通过编码器采集到的关节数据，并由示教臂结构参数计算得到示教臂的末端轨迹，计算示教臂与机器人坐标系之间的转换关系，基于正运动学获取关节变量θ1-θ6，得到示教臂DH参数，从而将示教臂的末端轨迹转换成机器人的末端轨迹，借助于示教机械臂，解决传统示教盒示教这种方法示教效率低，交互性差，对操作人员编程要求高等问题，使得示教过程更为简单，方便。

附图说明

图1为本发明的示教臂结构示意图；

图2为本发明的示教原理图；

图3为本发明的串联式示教原理图；

图4为本发明的并联式示教原理图。

图中：1、示教臂法兰盘；2、示教臂法兰盘底臂；3、第一示教臂关节； 4、示教臂中臂；5、第二示教臂关节；6、示教臂上臂；7、第三示教臂关节； 8、机器人。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中：一种关节式示教臂，示教臂是基于传统六自由度工业机器人的机械结构，内部没有设置电机，包括示教臂法兰盘1、示教臂法兰盘底臂2、第一示教臂关节3、示教臂中臂4、第二示教臂关节5、示教臂上臂6以及第三示教臂关节7，示教臂法兰盘底臂2的底部焊接有示教臂法兰盘1，用于示教臂法兰盘1与机器人8连接，示教臂法兰盘底臂2的顶部通过第一示教臂关节3活动连接示教臂中臂4，示教臂中臂4通过第二示教臂关节5活动连接示教臂上臂6，示教臂上臂6远离第二示教臂关节5的一端连接有第三示教臂关节7，通过三个示教臂关节可以实现由人手拖拽运动来进行示教，第一示教臂关节3、第二示教臂关节5以及第三示教臂关节7均设置有编码器，编码器与上位机PC电连接，上位机PC用于采集臂数据，并对数据进行转化和优化，并将数据传输给机器人控制器。编码器选择RS485异步串行通讯，采取轮询的方式进行数据采集，这样可以实现一个串口同时采集多个编码器。示教方法：具体分为串联式示教和并联式示教。该方法不需要进行复杂的轨迹规划，拖动示教臂达到期望的末端位姿，由编码器记录数据得到示教轨迹。

实施例1

参阅图3，示教臂通过示教臂法兰盘1安装在机器人8的法兰盘上组成串联式示教，机器人8安装在底座9上，底座9的坐标系为O，机器人8与示教臂连接的末端的坐标系为A，示教臂与机器人8连接的末端的坐标系为B，示教臂远离机器人8的一端的坐标系为C。

基于上述的关节式示教臂，本实施例提出一种关节式示教臂的示教方法，包括如下步骤：

步骤一：串联式示教过程中机器人处于静止状态，通过读取示教器上各个关节的角度，计算得到机器人的末端位姿；机器人8末端位姿矩阵相对于其基坐标系的其次变换矩阵为：

其中

为机器人关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵。

示教臂末端位姿矩阵相对其基坐标末端位姿矩阵的其次变换矩阵为：

其中

为示教臂关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵。

示教臂末端位姿相对于机器人基坐标系的变换矩阵为：

步骤二：后将示教臂连接机器人8，通过人手拖动示教臂画出实际需要的轨迹，在此过程中示教臂各关节编码器采集数据；

步骤三：后经过上位机PC数据处理得到示教轨迹。

串联式示教最后得到的轨迹由许多点来构成，可以计算出每个点的位姿相对于基坐标系的齐次变换矩阵C_i，继而得到每个点相对于基坐标系的位置向量p_i和欧拉角[α_i,β_i,γ_i]。将这些点位信息写入离线编程的文本文件中，在文件中设定好运动速度，每个点之间都采用直线运动，点之间的插补由机器人控制器自行完成，由于组成示教轨迹的示教点比较密，因而不会出现示教轨迹曲率较大的地方，保证了机器人再现过程的平稳，通过U盘将离线文件导入机器人即可实现再现过程。

实施例2

参阅图4，为了能够更加直观方便的示教，采取另外一种示教方式即并联式示教，并联式示教将上位机PC和示教臂作为客户端，机器人控制器作为服务器，上下位机软件之间通过以太网进行通信，上位机PC与机器人控制器直接通过交叉缆线连接，在上位机上编写客户端程序，同时对示教臂编码器做数据采集和数据处理，上位机PC与机器人控制器之间通信协议栈由Socket实现，将机器人8与示教臂在空间中平行放置，其步骤包括：

第一步：设立坐标系，机器人8的基坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，示教臂的基坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，两者拥有同一的参考坐标系即工件坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃。T₂ ¹，T₁ ³， T₂ ³分别表示，坐标系1相对于坐标系2之间的变换矩阵、坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵和坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵；

第二步：T₂ ³变换矩阵能够通过对示教臂数据进行处理求得，T₁ ²可以通过三点标定法求得，根据坐标变换：

第三步：在工件坐标系的基准平面内取3个点p₁,p₂,p₃，且这三个点不共线，以P₁为原点，P₁P₂方向为X方向，以垂直于该平面的法向量方向为Z轴，完成坐标系3的构建；坐标系3的构建方法，取：

分别为坐标系3的x轴方向和z轴方向向量，那么y轴方向向量为：

得到坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵为：

得到坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵为：

由

便可得到机器人坐标系1相对于示教臂坐标系2的变换矩阵。

第四步：让示教臂依次移动到三点，记录下示教臂的末端位姿p² ₁,p² ₂,p² ₃；再让机器人依次运动到这三个点，记录下机器人的末端位姿p¹ ₁,p¹ ₂,p¹ ₃。

如图2，示教原理：示教臂与一般通用六自由度工业机器人有相似结构，示教臂由人手拖动末端达到预期位姿，通过编码器采集到的关节数据，并由示教臂结构参数计算得到示教臂的末端轨迹，计算示教臂与机器人坐标系之间的转换关系，基于正运动学获取关节变量θ1-θ6，得到示教臂DH参数，从而将示教臂的末端轨迹转换成机器人的末端轨迹。

综上所述，本发明提供的关节式示教臂及基于该示教臂的示教方法，提出串联式示教和并联式示教两种新颖的示教方法，示教臂与一般通用六自由度工业机器人有相似结构，示教臂由人手拖动末端达到预期位姿，通过编码器采集到的关节数据，并由示教臂结构参数计算得到示教臂的末端轨迹，计算示教臂与机器人坐标系之间的转换关系，基于正运动学获取关节变量θ1-θ6，得到示教臂DH参数，从而将示教臂的末端轨迹转换成机器人的末端轨迹，借助于示教机械臂，解决传统示教盒示教这种方法示教效率低，交互性差，对操作人员编程要求高等问题，使得示教过程更为简单，方便。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种关节式示教臂，其特征在于，包括示教臂法兰盘(1)、示教臂法兰盘底臂(2)、第一示教臂关节(3)、示教臂中臂(4)、第二示教臂关节(5)、示教臂上臂(6)以及第三示教臂关节(7)，所述示教臂法兰盘底臂(2)的底部焊接有示教臂法兰盘(1)，所述示教臂法兰盘底臂(2)的顶部通过第一示教臂关节(3)活动连接示教臂中臂(4)，示教臂中臂(4)通过第二示教臂关节(5)活动连接示教臂上臂(6)，示教臂上臂(6)远离第二示教臂关节(5)的一端连接有第三示教臂关节(7)，示教臂通过示教臂法兰盘(1)安装在机器人(8)的法兰盘上组成串联式示教，机器人(8)安装在底座(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种关节式示教臂，其特征在于，第一示教臂关节(3)、第二示教臂关节(5)以及第三示教臂关节(7)均设置有编码器，编码器与上位机PC电连接，上位机PC与机器人控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的一种关节式示教臂，其特征在于，编码器选择RS485异步串行通讯，采取轮询的方式进行数据采集。

4.根据权利要求1所述的一种关节式示教臂，其特征在于，底座(9)的坐标系为O，机器人(8)与示教臂连接的末端的坐标系为A，示教臂与机器人(8)连接的末端的坐标系为B，示教臂远离机器人(8)的一端的坐标系为C。

5.一种根据权利要求1所述的关节式示教臂的示教方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：串联式示教过程中机器人处于静止状态，通过读取示教器上各个关节的角度，计算得到机器人的末端位姿；

步骤二：后将示教臂连接机器人(8)，通过人手拖动示教臂画出实际需要的轨迹，在此过程中示教臂各关节编码器采集数据；

步骤三：后经过上位机PC数据处理得到示教轨迹。

6.根据权利要求5所述的一种关节式示教臂的示教方法，其特征在于，机器人(8)末端位姿矩阵相对于其基坐标系的其次变换矩阵为：

其中

为机器人关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵，

示教臂末端位姿矩阵相对其基坐标末端位姿矩阵的其次变换矩阵为：

其中

为示教臂关节i相对于关节i-1的其次变换矩阵，

示教臂末端位姿相对于机器人基坐标系的变换矩阵为：

7.根据权利要求5所述的一种关节式示教臂的示教方法，其特征在于，示教方式还包括并联式，将机器人(8)与示教臂在空间中平行放置，其步骤包括：

第一步：设立坐标系，机器人(8)的基坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，示教臂的基坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，两者拥有同一的参考坐标系即工件坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃。T₂ ¹，T₁ ³，T₂ ³分别表示，坐标系1相对于坐标系2之间的变换矩阵、坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵和坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵；

第二步：T₂ ³变换矩阵能够通过对示教臂数据进行处理求得，T₁ ²可以通过三点标定法求得，根据坐标变换：

第三步：在工件坐标系的基准平面内取3个点P₁，P₂，P₃，且这三个点不共线，以P₁为原点，P₁P₂方向为X方向，以垂直于该平面的法向量方向为Z轴，完成坐标系3的构建；

第四步：让示教臂依次移动到三点，记录下示教臂的末端位姿p² ₁,p² ₂,p² ₃；再让机器人依次运动到这三个点，记录下机器人的末端位姿p¹ ₁,p¹ ₂,p¹ ₃。

8.根据权利要求5所述的一种关节式示教臂的示教方法，其特征在于，坐标系3的构建方法，取：

分别为坐标系3的x轴方向和z轴方向向量，那么y轴方向向量为：

得到坐标系3相对于坐标系1的变换矩阵为：

得到坐标系3相对于坐标系2的变换矩阵为：

由

便可得到机器人坐标系1相对于示教臂坐标系2的变换矩阵。

9.根据权利要求5所述的一种关节式示教臂的示教方法，其特征在于，并联式示教将上位机PC和示教臂作为客户端，机器人控制器作为服务器，上下位机软件之间通过以太网进行通信，上位机PC与机器人控制器直接通过交叉缆线连接，在上位机上编写客户端程序，同时对示教臂编码器做数据采集和数据处理，上位机PC与机器人控制器之间通信协议栈由Socket实现。

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