CN113119077A - 一种工业机器人手持示教装置和示教方法 - Google Patents

一种工业机器人手持示教装置和示教方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业机器人手持示教装置和示教方法，所述装置包括手持示教笔定位***、机械臂驱动控制器和机械臂本体，其中：所述手持示教笔定位***包括红外激光平面扫描基站、手持***和数据处理器；所述红外激光平面扫描基站用于手持***的激光扫描定位；所述手持***用于采集自身的空间位置和姿态数据，并将这些数据通过无线通讯模块发射到数据处理器；所述数据处理器用于处理手持***采集的空间位姿数据，得到满足机械臂本体控制要求的轨迹数据和示教指令，并将这些数据发送给机械臂驱动控制器；所述机械臂驱动控制器用于根据示教指令控制机械臂本体运行，完成示教过程。本发明能够更灵活的进行示教，减小机器人的示教成本。

Description

一种工业机器人手持示教装置和示教方法
技术领域
本发明属于工业机器人示教技术领域，涉及一种工业机器人手持示教装置和示教方法。
背景技术
工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好等优势，在工业制造、医疗、娱乐等行业中被普遍使用，使用机器人代替人进行工作时，需要事先指定机器人在作业运动过程中的位置和姿态，这个过程就成为对机器人的示教。传统机器人的位姿示教有两种方式：手持示教器点位示教和离线编程示教。手持示教器点位示教由工人操作示教器控制机械臂运行并记录若干点位，再由控制***内置的轨迹规划程序生成机械臂的控制指令，控制机械臂按照示教点位进行作业。这种示教方式适用于点位较少，精度要求不高的作业情况。离线编程示教技术是利用计算机技术建立机器人和其作业环境的虚拟仿真模型，利用计算机可视化编程语言进行作业离线规划和仿真，仿真通过后，软件生成机械臂的轨迹控制指令，控制机械臂按照仿真中的轨迹运行并作业，这种示教方法适用于点位多、轨迹复杂的作业情况，且不需要工人在作业现场操作机械臂，但离线编程示教需要操作者具有一定的计算机编程水平和机械臂相关的基础知识，在某种程度上提高了企业使用机械臂的成本，且这种方法只能在虚拟作业环境中仿真示教，不能根据作业现场的变化而实时调整机械臂的作业轨迹，缺乏一定灵活性。
近年来，各种新型机械臂示教方法不断涌现，它们致力于降低机械臂示教门槛。具有代表性的有：手势交互示教技术、语音指令集示教、人工牵引示教。其中，手势交互和语音指令示教技术能够识别并分析操作者的手势和语音指令，进而控制机械臂按照操作者的意图运行，这些示教方法普遍不能完成多点位复杂轨迹的示教任务，另外人工牵引示教则不适用于一些大功率、高载荷的机械臂，且牵引示教的技巧性强，精度不容易保证。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种工业机器人手持示教装置和示教方法，能够更灵活的进行示教，减小机器人的示教成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种工业机器人手持示教装置，包括手持示教笔定位***、机械臂驱动控制器和机械臂本体，其中：
所述手持示教笔定位***包括红外激光平面扫描基站、手持***和数据处理器；
所述红外激光平面扫描基站用于手持***的激光扫描定位；
所述手持***用于采集自身的空间位置和姿态数据，并将这些数据通过无线通讯模块发射到数据处理器；
所述数据处理器用于处理手持***采集的空间位姿数据，得到满足机械臂本体控制要求的轨迹数据和示教指令，并将这些数据发送给机械臂驱动控制器；
所述机械臂驱动控制器用于根据示教指令控制机械臂本体运行，完成示教过程。
一种利用装置进行工业机器人示教的方法，包括如下步骤：
步骤一、红外激光平面扫描基站固定安装在机械臂本体的附近并保证激光平面扫描范围能够覆盖机械臂本体的常规工作空间，操作人员使用手持***完成示教过程；
步骤二、将手持***的定位尖端移动到轨迹的起点，按住示教按钮，工作时的手持***通过无线通信模块向数据处理器发送自身的空间位置和姿态数据，操作人员控制手持***按照预期的轨迹运动，到达轨迹终点时，松开示教按钮，手持***停止工作；
步骤三、数据处理器收到整个示教过程中手持***的空间位姿数据，进行处理后将示教轨迹输出给机械臂驱动控制器，机械臂本体按照指令运行，完成示教过程。
本发明中，所述红外激光平面扫描基站内部包含2个转轴相互垂直的红外激光发射器和红外LED阵列，红外激光平面扫描基站向一定范围的空间内发射红外同步闪烁信号和水平、垂直平面内的平面激光扫描信号，这些信号用于手持***的定位。
本发明中，所述手持***的硬件部分包括红外光敏传感器、惯性测量单元、微处理器、无线通信模块和可替换尖端，其中：手持***末端设置多个红外光敏传感器，红外光敏元件受到红外激光平面扫描基站发出的平面扫描激光照射而发出相应信号，随着手持***在示教过程中的运动，惯性测量单元输出能够反映手持***空间位置和姿态信息的信号，微处理器采集每个红外光敏传感器的输出信号，经过多传感融合算法解算得到手持***的位姿信息。红外光敏传感器本质上是一种对特定波长光敏感的光电二极管，在工作过程中，手持***上所有的传感器都能够接收红外激光平面扫描基站发出的红外同步闪烁信号，而当红外激光平面扫描基站在水平和垂直两个平面内发射激光扫描信号时，只有被激光平面扫到的二极管才能输出信号。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明实现一种简单、方便快捷、灵活的工业机器人示教方法，使用该方法，在相关装置固定好位置并初始化完成后，操作工人能够以更高的效率示教机器人完成作业，且该方法不需要要求操作人员具有编程能力和机器人基础知识，以人的意愿直接完成机械臂的示教，大大降低了企业使用工业机械臂的成本。
附图说明
图1为本发明硬件***的结构示意图；
图2为本发明数学模型的结构示意图；
图3为本发明手持示教笔***结构示意图；
图4为本发明手持示教装置和示教方法场景示意图；
图中：1-手持示教笔定位***，11-红外激光平面扫描基站，12-数据处理器，13-手持***，13a-红外光敏传感器（IR二极管），13b-惯性测量单元，13c-无线通信模块，13d-微处理器，13e-示教启停按钮，13f-电源，13g-可替换示教笔笔尖，13h-USB接口，7-手持***末端预定轨迹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种工业机器人手持示教装置，如图1所示，所述装置的硬件***结构包括手持示教笔定位***1、机械臂驱动控制器2和机械臂本体3，其中：
所述手持示教笔定位***1至少包括红外激光平面扫描基站11、数据处理器12、手持***13。
所述手持***13至少包括红外光敏元件13a、惯性测量单元13b、无线通信模块13c、微处理器13d、示教启停按钮13e、电源13f、可替换手持***尖端13g、USB接口13h，其中，红外光敏元件13a受到红外激光平面扫描基站11发出的平面扫描激光照射而发出相应信号，随着手持***在示教过程中的运动，惯性测量单元13b输出能够反映手持***空间位置和姿态信息的信号，本发明提供的多传感融合算法将这两种信号实时解算成手持***的高精度位置和姿态，该计算过程是在微处理器13d中进行的。USB接口13h用于充电和数据传输。所述手持***采集的是尖端的位置和姿态数据，手持***能够识别不同种类的替换尖端从而满足多种场景下的机械臂示教需求。
所述手持***13用于采集自身在示教过程中的空间位置和姿态数据，并将这些数据通过无线通讯模块发射到数据处理器12。
所述数据处理器12用于处理手持***13采集的空间位姿数据，得到满足及机械臂控制要求的轨迹数据和示教指令，并将这些数据发送给机械臂驱动控制器。
所述机械臂驱动控制器输出示教指令控制机械臂运行。
本发明工业机器人示教装置的工作原理如下：
进行示教时，手持示教笔定位***中的红外激光平面扫描基站固定安装在机械臂的附近并保证激光平面扫描范围能够覆盖机械臂的常规工作空间，操作人员使用手持***进行示教。首先将手持***尖端移动到轨迹的起点，按住示教按钮，工作时的手持***通过无线通信模块向数据处理器发送自身的空间位置和姿态数据，操作人员控制手持***按照预期的轨迹运动，到达轨迹终点时，松开示教按钮，手持***停止工作，数据处理器收到了整个示教过程中手持***尖端的空间位姿数据，进行处理后将示教轨迹输出给机械臂驱动控制器，机械臂按照指令运行，完成示教过程。本发明的工业机器人示教装置采用手持***进行轨迹示教，示教过程简单直接且能根据作业要求随时调整示教轨迹，降低了工业机器人的示教成本，具有示教过程简单直接、示教轨迹灵活的优点。
如图2所示，数学模型包括红外光敏元件分布三维模型4和空间位置姿态定位模型5，其中：所述红外光敏元件分布三维模型4指的是在手持***坐标系下的每个光敏元件的坐标；所述空间位置姿态定位模型5包括激光平面扫描位姿定位算法51、滤波算法52、多传感融合算法53，其中：手持***中的红外光敏元件13a受到红外激光平面扫描基站11发出的平面扫描激光照射而发出相应信号，在示教过程中，每一个红外光敏元件都能够被平面激光照射，激光平面扫描位姿定位算法51采用三角测量的原理，能够将手持***中所有的红外光敏元件输出的信号解算成手持***尖端的位置和姿态。所述多传感融合算法53指的是将红外光敏元件13a所测得数据同惯性测量单元13b所测得数据进行融合，这样做的好处是：当红外光敏元件失效或者工作环境中存在反射红外光的干扰时，仅依靠红外光敏元件计算得到的位置姿态信息并不能反映真实的状况，甚至会产生很大的误差，引入惯性测量单元使得手持示教笔定位***对环境的适应程度更强，追踪的精度更高；所述轨迹跟踪策略6是一种控制方法，其在机械臂驱动控制器2中控制机械臂本体3按照位姿定位模型5输出的手持示教器空间位置姿态轨迹进行作业，从而达到示教要求。

Claims (5)

1.一种工业机器人手持示教装置，其特征在于所述装置包括手持示教笔定位***、机械臂驱动控制器和机械臂本体，其中：
所述手持示教笔定位***包括红外激光平面扫描基站、手持***和数据处理器；
所述红外激光平面扫描基站用于手持***的激光扫描定位；
所述手持***用于采集自身的空间位置和姿态数据，并将这些数据通过无线通讯模块发射到数据处理器；
所述数据处理器用于处理手持***采集的空间位姿数据，得到满足机械臂本体控制要求的轨迹数据和示教指令，并将这些数据发送给机械臂驱动控制器；
所述机械臂驱动控制器用于根据示教指令控制机械臂本体运行，完成示教过程。
2.根据权利要求1所述的工业机器人手持示教装置，其特征在于所述红外激光平面扫描基站内部包含2个转轴相互垂直的红外激光发射器和红外LED阵列，红外激光平面扫描基站发射红外同步闪烁信号和水平、垂直平面内的平面激光扫描信号，这些信号用于手持***的定位。
3.根据权利要求1所述的工业机器人手持示教装置，其特征在于所述手持***的硬件部分包括红外光敏传感器、惯性测量单元、微处理器、无线通信模块和可替换尖端，其中：手持***末端设置多个红外光敏传感器，红外光敏元件受到红外激光平面扫描基站发出的平面扫描激光照射而发出相应信号，随着手持***在示教过程中的运动，惯性测量单元输出能够反映手持***空间位置和姿态信息的信号，微处理器采集每个红外光敏传感器的输出信号，经过多传感融合算法解算得到手持***的位姿信息。
4.根据权利要求1或3所述的工业机器人手持示教装置，其特征在于所述红外光敏传感器为光电二极管。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述装置进行工业机器人示教的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、红外激光平面扫描基站固定安装在机械臂本体的附近并保证激光平面扫描范围能够覆盖机械臂本体的常规工作空间，操作人员使用手持***完成示教过程；
步骤二、将手持***的定位尖端移动到轨迹的起点，按住示教按钮，工作时的手持***通过无线通信模块向数据处理器发送自身的空间位置和姿态数据，操作人员控制手持***按照预期的轨迹运动，到达轨迹终点时，松开示教按钮，手持***停止工作；
步骤三、数据处理器收到整个示教过程中手持***的空间位姿数据，进行处理后将示教轨迹输出给机械臂驱动控制器，机械臂本体按照指令运行，完成示教过程。
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