一种示教机器人及其操作方法
【专利摘要】本发明属于工业自动化技术领域，涉及一种示教机器人及其操作方法，所述机器人包括电机、连接所述电机并被所述电机带动的所述离合器、被所述离合器带动的所述第一机器臂、控制所述电机开关的控制系统、连接所述控制系统并采集所述第一机器臂旋转角度的传感器，所述离合器控制所述电机是否驱动所述第一机器臂的转动，所述控制系统根据所述传感器的信号再现所述第一机器臂在无电机驱动状态下的运行轨迹。本专利的优点是机器人示教操作简单快捷，示教方式更直观，对操作人员学历水平要求低，因为无需示教操纵手柄或力传感器相对于其它示教方法成本低，无需感应力和相应处理程序，所以系统控制、运行更可靠。
【专利说明】
一种示教机器人及其操作方法
技术领域
[0001 ]本发明属于工业自动化技术领域，涉及一种示教机器人及其操作方法。
【背景技术】
[0002]机器人技术是工业智能制造、柔性生产线的关键技术之一。二十世纪五时年代起，工业发达国家就开始研制生产可以替代手工劳动的机械手，经过几十年的发展，国外机器人技术已经相当成熟。然而，国外的机器人并不能很好的符合我国市场对机器人的要求，主要有以下几点原因:1、机器人整机成本过高，我国以小型企业为主，无力承担高成本技术改造投入;2、国外机器人示教复杂对员工教育水平要求较高，我国中小企业员工受教育水平偏低无法快速掌握机器人示教技能;3、国外机器人为了更大地获取利益，配件大部分专用，使得中小型企业在使用过程中生产很高的隐性成本。
[0003]机器人示教是使用机器人必不可少的环节，让机器人按事先设定的轨迹和动作运行，必须赋予机器人运行的数据信息，这一个过程就叫做示教，如何实现这一过程就叫做示教法。示教主要分为以下几类:直接示教，遥控示教，间接示教，离线示教。目前在我国专利尚无功率级脱离直接示教文献，公开文献有力矩平衡直接示教申请号:201310312810.6，是通过控制机器臂各电机电流值达到机器臂处于平衡状态，可以用手搬动机器臂直接示教。此法缺点:电网波动肯定存在，采样准确性不确定，整个补偿过程复杂可靠性低，重力矩摩擦力矩需要双向摆动实验测量，在生产当中就不符合实际要求，像焊接机器人，喷涂机器人等随着作业进行物料变少或加料，整个运动的质量是不断变化的，因而不能有较广的适应性。申请号201480008692.2和2014100053868.8公开的资料都是采用遥控杆操纵改变机器臂位置和姿态，控制按键繁多复杂，操作者所站的位置不一定与机器人规定的运动方向一致很容易误操作造成撞机事故。申请号:201510169454.6公开了一种间接示教机械结构，这个方法需要另外的机器人模型因而成本较高，而且机器臂与示教模型存在一一对应的关系，给维修和制造带来巨大的困难。
[0004]公开号CN204315163 U专利所述示教方法是通过示教装置与机器人本体分离实现，增加了机械制造成本。而本发明示教是通过机器人体上自己有的编码器实现关节角度值采集，省去了一套编码器的成本，由于编码器直接安装于机器人本体上，无需另外的连杆和支架等也降低了成本。
[0005]公开号CN204315163 U专利所述，六连杆示教装置所采集的信号通过提取、转换、植入到机器人本体，那么可得一个结论，示教装置所采集的信息并不是机器人关节真实的信息，而是通过某种公式转换的对应数据，示教装置必需与机器人本体一一对应才可以使用对应该的转换公式，还有一种情况是所有的机械尺寸都必需一样才能使得示教装装置与机器人本体互相通用。导致部件之间互换性差，加工困难，维修困难。而本专利示教参数无需转换和植入，所采集到的各关节的角度信息就是机器人本体当前实时的信息，减少转换和植入的误差，因而示教精度更高，更可靠。
[0006]公开号CN 204315163 U专利所述，示教装置与机器人本体分离，示教装置为连杆相互铰接，示教时直接搬动连杆来示教，如何实现机器人关节的编码器与示教装置编码器的参考零点一致，可能会通过一个专用固定的支架来固定二者的姿态设定一个共同的参考零点，当客户在使用时出现编码器零点丢失的情况，就得返厂才能解决，而本发明是编码器与机器人本体共用，开机时通过程序将编码器对应该解码器置零。因为是共用的编码器所以不存在参考零点不一致导致的误差，因而示教的参数更准确。
[0007]公开号CN204315163 U专利所述，示教装置与机器人关节的数据是通过提取转换而得到，又因为是分离的装置，那么机器人和示教装置的空间位置就需要确定，这对机器的安装造成了很大问题，相对位置的安装精度误差就直接导致机器人轨迹再现的误差，本发明所述的示教装置是安装于机器人内部，不存在相互位置误差而导致运行轨迹误差，因为轨迹更精确。
[0008]申请号201110172311.2专利所述一种力控制的机器人打磨软件控制系统，该系统的设想是基于ABB机器人控制底层建立的应用程序模块，借助于其现有的人机交互界面向导实现机器人应用编程。并未清楚地描述其示教实现的方法。且基于别人的系统，机器人控制系统一般做为商业机密并不会轻易开源共享。
[0009]申请号201110172311.2提到多种模式的路径编辑器:包括三维式，概念式及微调式编辑器，都可以对路经进行示教和修改。这增加了示教的复杂性，要熟练地使用各种公式就得掌握一定的理论知识，因而对于普通低学历操作者来说是极其困难的。本发明涉及的示教方法和对应机械结构则可实现低学历操作工快速示教，无需操作都输入任何公式即可完成不教编程。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种简单可靠、易操作、快捷的示教方法和简单、高效、价格便宜的示教机器人。旨在解决现有示教机器人操作复杂，难以上手，设备成本高，费时费力的问题。
[0011]本发明所采用的技术方案是:一种示教机器人，所述机器人包括电机、连接所述电机并被所述电机带动的所述离合器、被所述离合器带动的所述第一机器臂、控制所述电机开关的控制系统、连接所述控制系统并采集所述第一机器臂旋转角度的传感器，所述离合器控制所述电机是否驱动所述第一机器臂的转动，所述控制系统根据所述传感器的信号再现所述第一机器臂在无电机驱动状态下的运行轨迹。
[0012]本发明的进一步技术方案是:所述离合器可以是电磁离合器、电磁力矩限制器或是磁粉离合器，所述离合器可以通过控制电流的有无或大小实现电机扭矩的传递或断开。
[0013]本发明的进一步技术方案是:所述离合器为电磁离合器，机器人示教时，通过开关或按键或控制系统控制所述电磁离合器处于断开状态和吸合状态方便示教，机器轨迹再现运行时，控制系统输出信号使电磁离合器处于吸合状态，电机动力通过离合器连接到负载端，实现第一机器臂转动，所述机器人还包括连接在所述电机和所述离合器之间的减速器、第二机器臂、固定架、连接所述固定架的固定轴、固定连接所述第二机器臂的第一转轴、固定连接所述第一机器臂的第二转轴，所述减速器通过法兰连接到第二机器臂上，所述电机、所述减速器和所述离合器依次相连组成功率级，所述离合器中的离合器摩擦片与第一转轴相连，所述第一转轴和所述第二转轴上固定有齿轮，在离合器线圈与离合器摩擦片吸合状态时可以将电机输出动力通过配对齿轮啮合到第一机器臂或固定轴上形成一个旋转副。
[0014]本发明的进一步技术方案是:所述电机可以是步进、伺服或直驱电机也可以是气动马达或是液压马达。
[0015]本发明的进一步技术方案是:所述电机动力通过离合器连接到负载端，离合器线圈与衔铁咬合可以通过结合面摩擦力或是牙嵌式将动力耦合传递。
[0016]本发明的进一步技术方案是:所述功率级可以有多个减速器和动力装置组成，也可没有减速器，但至少有一个动力装置。
[0017]本发明的进一步技术方案是:所述传感器为增量式旋转编码器或绝对值旋转编码器。
[0018]一种示教机器人的操作方法，该方法包括如下步骤:
A.开机回零，机器人接通电源，机器各臂执行归零程序，各臂归零传感器检测归零板，通过电机驱动至各归零板边缘位置停止以确定机械臂初始位置并置零各臂解码器；
B.示教，在示教状态下，松开各臂离合器，脱离功率级以后，机械臂处于可用手推动示教状态；
C.直线示教，按下“直线”键，用手推动机械臂到直线起点，并按下“■”键，表示起点，系统采集各关节的解码器值，并保存供轨迹再现提供数据，同样方法输入一个终点，计算机根据两点成线的原理，计算两点间距离，并保存计算好的数值；
D.曲线示教，按下“曲线”键，用手推动机械臂到直线起点，并按下“■”键，表示起点，系统采集各关节的解码器值，并保存供轨迹再现提供数据，同样方法输入2个数据点，计算机根据三点成弧的原理，确定圆心、半径，计算弧长，并保存计算好的数值；
E.空间曲线示教，根据多点无限细分接近实际曲线的方法，将各点数据首尾相连并存储数据；
F.轨迹再现，按下“运行”键，则计算机首先根据轨迹类型，选择不同的计算策略，算出起点量与终点量的差值，并通过端口将运行数据通过各端口发送到各臂电机驱动器，在电机运行的同时，原先示教的轨迹就会展现出来。
[0019]本发明相比现有技术突出优点:
1、示教速度快，通过示教盒上的按键控制电磁离合器通断，可快速切断功率极使机器臂处于无动力状态，用手可推动机器臂到工作范围内任意位置相比普通操纵杆速度更快。
[0020]2、示教简单不容易误操作，当机器臂处于自由状态可用手向所需要的方向推比一般机器人示教更直观无须根据机器人控制系统规定的XYZ坐标轴方向来决定移动机器人末端，因而不会出现判断的移动方向与机器人规定的方向不一致，造成撞机事故。
[0021]3、“傻瓜式”示教，具有本结构的机器人示教无需高学历也可以很快掌握示教操作，一般机器人示教都有一套专用的机器人指令，最简单的如日系M0VJ、M0VL，欧系Lin、Arc等普通农民工根本看不懂，更不用说条件判断和一些类计算机编程语言的编程应用了，本发明示教:走直线就按“直线”，直线起点按自动记录起点，结束点也同样方法输入一个数据点，计算机可自动计算该首尾相连的空间直线轨迹，操作者无需知道任何语法及英文短语的意思，整个示教过程也不会有英文的语句。
[0022]4、有此功率脱离功能的机器人比其它类型的机器人要更安全，因为负载与驱动之间的连接是通过电磁离合器实现，电磁离合器起到力矩限制器的作用，当撞上人或障碍物离合器就会打滑，因而不会造成严重的伤亡事故，也不会因为撞机导致机器损毁。
[0023]5、机械结构简单系统运行更可靠，相比采样和补偿电机电流值达到力矩平衡直接示教，本发明因采用机械方式脱离功率级，运行不受电网波动和电磁干扰极小，无需复杂计算，机器人计算机系统运行更稳定可靠。
【附图说明】
[0024]图1是本申请中实施例的剖视图。
【具体实施方式】
[0025]本发明属于机器人自动化领域，涉及一种机器人快速示教方法和对应机器人本体传动结构。机械结构包括驱动电机、减速器、电磁离合器、嗤合齿轮、转轴、传感器、臂体，驱动电机连接减速器获得较大的扭矩，减速器输出轴与电磁离合器连接组成功率级，离合器的另一端通过齿轮啮合到臂体上从而带动臂体转动组成负载端。机器人轨迹再现运行时，离合器处于吸合状态，将电机的旋转动力传给各臂体达到驱动臂体目的。机器人示教时可断开离合器，让机器人关节处于无动力自由状态。直接用手搬动机器人的手臂沿设定的空间轨迹运动，传感器并记录下运动轨迹的特征点，为机器人轨迹再现运算提供空间位置数据。本专利的优点是机器人示教操作简单快捷，示教方式更直观，对操作人员学历水平要求低，因为无需示教操纵手柄或力传感器相对于其它示教方法成本低，无需感应力和相应处理程序，所以系统控制、运行更可靠。
[0026]所述示教机器人有两种不同实施方式，下面结合附图1具体介绍:
I.第一机器臂4与第二机器臂10组成旋转副。
[0027]第一电机I和第一减速器2相连并通过第一法兰21连接到第二机器臂10上，第一减速器2的输出轴与第一离合器线圈3相连，所述第一电机1、所述第一减速器2和所述第一离合器依次相连组成第一功率级，第一减速器2起到降低转速提高扭矩作用，离合器摩擦片5(衔铁)与第一转轴6相连，第一转轴6上固定有第一齿轮8，在第一离合器线圈3与离合器摩擦片5(衔铁)吸合状态时可以将第一电机I输出动力通过配对第二齿轮7啮合到第一机器臂4上形成一个旋转副。在第一转轴6的顶端设置有采集机器臂体之间相对旋转运动角度信息的传感器9。半圆形归零板22固定在第二齿轮7上，所述半圆形归零板22与第二齿轮7保持相对静止，第一传感器23可检测归零板22信号的有/无状态，第二齿轮7、第二转轴26、第一机器臂4固定连接，所述第一机器臂4以第一转轴6为轴心绕所述第二机器臂10旋转。归零板22随第一机器臂4旋转到某个固定角度时，所述第一传感器23可以检测到信号，给系统提供解码器归零信号，以保证关节的两臂之间相对位。
[0028]2.第二机器臂10与固定轴11或底座组成旋转副。
[0029]第二电机20和第二减速器19相连并通过第二法兰18连接到第二机器臂10上，第二减速器19的输出轴与第二离合器线圈12相连，所述第二电机20、所述第二减速器19和所述第二离合器依次相连组成第二功率级。第二减速器19起到降低转速提高扭矩作用，离合器摩擦片13(衔铁)与第三转轴15相连，第三转轴15上固定有齿轮16，在第二离合器线圈12与衔铁13吸合状态时可以将第二电机20输出动力通过配对第三齿轮14啮合到固定轴11上形成一个旋转副。在第三转轴15的顶端设置有采集机器臂体之间相对旋转运动角度信息的第二传感器17，第二机器臂10以固定轴11为轴心绕固定轴11旋转。半圆归零板24不动，当固定于第二机器臂10上的传感器25旋转到半圆归零板24边缘就可以检测到信号，给系统提供解码器归零信号，以保证关节的臂与固定轴(底座)之间相对位。
[0030]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种示教机器人，其特征在于:所述机器人包括电机、连接所述电机并被所述电机带动的所述离合器、被所述离合器带动的所述第一机器臂、控制所述电机开关的控制系统、连接所述控制系统并采集所述第一机器臂旋转角度的传感器，所述离合器控制所述电机是否驱动所述第一机器臂的转动，所述控制系统根据所述传感器的信号再现所述第一机器臂在无电机驱动状态下的运行轨迹。2.根据权利要求1所述的示教机器人，其特征在于:所述离合器可以是电磁离合器、电磁力矩限制器或是磁粉离合器，所述离合器可以通过控制电流的有无或大小实现电机扭矩的传递或断开。3.根据权利要求1所述的示教机器人，其特征在于:所述离合器为电磁离合器，机器人示教时，通过开关或按键或控制系统控制所述电磁离合器处于断开状态和吸合状态方便示教，机器轨迹再现运行时，控制系统输出信号使电磁离合器处于吸合状态，电机动力通过离合器连接到负载端，实现第一机器臂转动，所述机器人还包括连接在所述电机和所述离合器之间的减速器、第二机器臂、固定架、连接所述固定架的固定轴、固定连接所述第二机器臂的第一转轴、固定连接所述第一机器臂的第二转轴，所述减速器通过法兰连接到第二机器臂上，所述电机、所述减速器和所述离合器依次相连组成功率级，所述离合器中的离合器摩擦片与第一转轴相连，所述第一转轴和所述第二转轴上固定有齿轮，在离合器线圈与离合器摩擦片吸合状态时可以将电机输出动力通过配对齿轮啮合到第一机器臂或固定轴上形成一个旋转副。4.根据权利要求1所述的示教机器人，其特征在于:所述电机可以是步进、伺服或直驱电机也可以是气动马达或是液压马达。5.根据权利要求1所述的示教机器人，其特征在于:所述电机动力通过离合器连接到负载端，离合器线圈与衔铁咬合可以通过结合面摩擦力或是牙嵌式将动力耦合传递。6.根据权利要求3所述的示教机器人，其特征在于:所述功率级可以有多个减速器和动力装置组成，也可没有减速器，但至少有一个动力装置。7.根据权利要求1所述的示教机器人，其特征在于:所述传感器为增量式旋转编码器或绝对值旋转编码器。8.一种示教机器人的操作方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: A.开机回零，机器人接通电源，机器各臂执行归零程序，各臂归零传感器检测归零板，通过电机驱动至各归零板边缘位置停止以确定机械臂初始位置并置零各臂解码器； B.示教，在示教状态下，松开各臂离合器，脱离功率级以后，机械臂处于可用手推动示教状态； C.直线示教，按下“直线”键，用手推动机械臂到直线起点，并按下‘°’键，表示起点，系统采集各关节的解码器值，并保存供轨迹再现提供数据，同样方法输入一个终点，计算机根据两点成线的原理，计算两点间距离，并保存计算好的数值； D.曲线示教，按下“曲线”键，用手推动机械臂到直线起点，并按下‘°’键，表示起点，系统采集各关节的解码器值，并保存供轨迹再现提供数据，同样方法输入2个数据点，计算机根据三点成弧的原理，确定圆心、半径，计算弧长，并保存计算好的数值； E.空间曲线示教，根据多点无限细分接近实际曲线的方法，将各点数据首尾相连并存储数据； F.轨迹再现，按下“运行”键，则计算机首先根据轨迹类型，选择不同的计算策略，算出起点量与终点量的差值，并通过端口将运行数据通过各端口发送到各臂电机驱动器，在电机运行的同时，原先示教的轨迹就会展现出来。
【文档编号】B25J9/10GK105881518SQ201610401772
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】曾文杰, 曾文宁
【申请人】柳州欧卡机器人有限公司