一种工业机器人快速示教装置及其实现方法与流程

本发明涉及机器人控制及示教加工领域，特别是涉及一种工业机器人快速示教装置及其实现方法。

背景技术：

随着科技的不断发展，越来越多的工业机器人运用于工业生产领域，机器人在工业生产中主要用于完成装配、打磨、焊接等领域。完成指定的工序需要给机器人规划轨迹，这一条轨迹最常见的方式就是通过机器人的示教器进行机器人的移动，然后记录下示教点，然后编写运动程序完成示教，目前市面上的工业机器人绝大部分源代码都是封闭的，很难进行底层的代码开发，因此示教点的采集都是通过示教器进行编程完成。

通过示教器进行示教，对于操作者要求较高，需要对工业机器人很熟悉，这样才能够保证操作安全，示教器进行示教效率较低，而且如果对于比较复杂的曲面采用示教器进行示教，难度会更大。

目前许多高校机械类专业都有开设与机器人相关的课程，课程学习中一个重要的环节就是认识学习工业机器人，由于每次参与实践的人数较多，学生对于工业机器人的示教器使用不熟悉，如果采用示教器进行示教学习，则会大大的降低实验效率，在操作机器人的过程中可能会出现误碰撞，带来安全隐患。

基于此开发一种基于现有机器人平台的直接示教装置很有实际应用意义，可不通过示教器进行移动机器人到示教点，直接拖动示教模组进行移动，这样可以快捷准确的到达示教点，此方法不需要操作者对机器人的运动学以及控制原理的了解，只需要在基于六维力/力矩快速示教模式下，直接拖动示教模组进行示教点选取，此方法简单安全。可广泛的应用于工业机器人示教加工环节。

专利CN105583824A提出基于力实现对多自由度机械臂的力控牵引和摆位的控制，可以实现在力的作用下实现对机械臂进行拖动，但是没有实现示教还原功能，不具有通用性，在实际使用过程中没有对力/力矩传感器起保护作用，不能够运用于工业机器人的示教加工任务。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种工业机器人快速示教装置及其实现方法，该装置具有通用性可运用于多自由度工业机器人的示教及实际生产中。

本发明采用以下方案实现：一种工业机器人快速示教装置，其特征在于：包括一工业机器人、一机器人控制器、一末端执行工具、一示教模组、一信号放大器、一数据采集器以及一计算机；所述末端执行工具固定于所述工业机器人的末端，所述示教模组固连于所述末端执行工具，所述信号放大器的一端连接至所述示教模组，另一端连接至所述数据采集器，所述数据采集器连接至所述计算机，所述计算机连接至所述机器人控制器，所述机器人控制器与工业机器人相连；所述示教模组包括一六维力/力矩传感器、一示教手柄以及一按钮，所述示教手柄固连于所述六维力/力矩传感器，所述按钮安装于所述示教手柄上。其中，末端执行工具与示教模组相互独立安装，在示教点采集完成后，可以对六维力/力矩传感器快速装拆，保证六维力力/力矩传感器的安全使用，末端执行工具根据不同的加工任务进行更换，根据计算机储存的示教点进行示教还原，可运用实际生产加工任务中如焊接、码垛等任务。

进一步地，所述六维力/力矩传感器信号经过数据采集器后进行滤波、放大及AD转换处理后发给计算机，所述计算机根据力/力矩信号控制工业机器人是否移动从而完成示教点采集。

进一步地，所述示教模组相对于末端执行工具独立安装，示教点采集完成后可拆除示教模组。

进一步地，所述末端执行工具可根据不同的示教加工任务选取不同的执行工具。

进一步地，该装置在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个方向的示教行程与所述六维力/力矩传感器检测到的纯净力信号相关，其算法为：

移动步长计算公式：

其中F_i代表x、y、z三个方向的力值，3代表力的最小的阀值，当力的绝对值大于3N时才会执行移动，其中k_x是移动系数，根据实际应用进行设定，进行运算之前设定一个力最大阀值，当超过一定的最大限值后移动步长不再随之而增加，而是定值；

转动步长计算公式：

其中T_i代表三个x、y、z方向的力矩值，2代表力矩的最小的阀值，当力矩的绝对值大于2时才会执行转动，其中k_θ是转动系数，根据实际应用进行设定，进行运算之前设定一个力最大阀值，当超过一定的最大限值后转动步长不再随之而增加，而是定值；

速度的计算公式：

速度的计算采用Sigmoid型函数，当力大于某值时速度达到极限值不再增加。

进一步地，所述纯净力信号是通过对所述六维力/力矩传感器进行重力补偿而得到，所述重力补偿算法为：

计算初始位置手持器重力在基坐标系下的向量大小并记录：

当机器人位姿改变时，重力在传感器坐标系下的三个方向分力计算：

其中，是程序启动时传感器坐标系相对于机器人基坐标系的位姿矩阵，是程序启动时手持器重力在力传感器坐标系下的分力表示，是末端手持器重力分力在基坐标系下的矩阵表示，是传感器相对于基坐标系的实时的位姿矩阵的逆，是重力随位姿改变后末端手持器重力在工具坐标系下的分力表示，其随机器人的位姿改变而实时刷新，从而完成对重力补偿的计算；

手持器重力矩补偿算法为：重力矩的补偿重要的是对重心位置的确定，从而快速确定重力引起的三个分力矩的大小；由于实际使用过程中，末端手持器形状是不规则的特点，因此无法运用物体的中心就是重心的性质，可通过如下算法进行计算：

在末端手持器作用力前，使用该计算方法，求解出重心相对于传感器中心的位置矩阵表达式：[d_x,d_y,d_z]^T，然后保存用于补偿重力分力产生的重力矩，求解出重心的位置矩阵。

本发明还采用以下方法实现：一种工业机器人快速示教装置的实现方法，示教步骤如下：

步骤S01：根据不同的示教加工任务选取适合的执行工具，选取完成后和示教模组一起安装于工业机器人末端，完成安装后，装置上电，所述计算机完成对六维力/力矩传感器及程序的初始化，所述工业机器人回到初始化程序起点，判断六维力/力矩传感器及工业机器人初始化是否完成，未完成继续等待，等待初始化完成后力/力矩传感器开始工作；

步骤S02：所述六维力/力矩传感器采集末端的力及力矩信息，通过信号放大器将采集的信号放大以便于采集；

步骤S03：所述数据采集模块采集放大器的模拟量，对采集信号进行滤波、整形并完成模拟信号与数字信号的转换；

步骤S04：所述计算机建立六维力/力矩传感器坐标系与工具坐标系之间的转换，完成对末端执行件重力引起的重力分力以及重力分力矩补偿，将补偿完成后的六维力/力矩传感器力信息实时显示在人机界面上；

步骤S05：所述计算机将补偿后的力以及力矩信息通过移动算法得出工业机器人末端执行工具端点的移动量以及旋转量，实现机器人的移动示教，当工业机器人到达示教点后，按下手持器的开关按钮，通过数据采集模块检测开关是否按下，如按下则通过计算机储存示教点信息；

步骤S06：所述示教模组示教完成后可以进行快速拆卸，拆卸完成后末端执行工具可以根据之前示教储存的点数据完成示教加工任务，保证在示教加工过程中六维力/力矩传感器的安全使用，同时拆卸下的力/力矩传感器可用于下一台机器人快速示教工作。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：在不需对当前工业机器人系统进行硬件升级的前提下，可以直接拖拽与六维力/力矩传感器固定连接的手持器，实现工业机器人的运动，从而实现示教点的选取；在数据点采集完成后，可以对示教模组进行拆卸，示教模组安装与末端执行工具相互独立，末端执行工具可根据示教储存的点进行示教还原，示教还原过程也可以进行实际的工业生产，如搬运、焊接等工作；此外在实际生产中可以对传感器起到保护作用，拆卸下的示教模组也可以运用于其他工业机器人的示教操作，末端执行工具可根据不同的加工任务而更换，使用该套装置可有效的提升示教速度以及加工效率。

附图说明

图1是本发明装置构成原理。

图2是本发明末端示教装置安装说明。

图3是本发明软件算法执行流程图。

图4是本发明示教还原流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例装置构成原理如图1所示，本发明提供一种工业机器人快速示教装置，所述的快速示教装置由一工业机器人3、一机器人控制器2、一末端执行工具4、一示教模组5、一信号放大器6、一数据采集器7、一计算机1；所述末端执行工具固定于所述工业机器人的末端，所述示教模组固连于所述末端执行工具，所述信号放大器的一端连接至所述示教模组，另一端连接至所述数据采集器，所述数据采集器连接至所述计算机，所述计算机连接至所述机器人控制器，所述机器人控制器与工业机器人相连；所述示教模组包括一六维力/力矩传感器、一示教手柄以及一按钮，所述示教手柄固连于所述六维力/力矩传感器，所述按钮安装于所述示教手柄上。其中，末端执行工具与示教模组相互独立安装，在示教点采集完成后，可以对六维力/力矩传感器快速装拆，保证六维力力/力矩传感器的安全使用，末端执行工具根据不同的加工任务进行更换，根据计算机储存的示教点进行示教还原，可运用实际生产加工任务中如焊接、码垛等任务。

在本实施例中，所述工业机器人及控制器用于运动执行，所述六维力/力矩传感器用于采集操作者的施加的外力以及力矩，所述数据采集器用于采集操作者的力/力矩信息并连接六维力/力矩传感器配套的信号放大器，所述手持器连接六维力/力矩传感器以便于操作者拖动及示教点的记录，所述末端执行工具用于连接工业机器人末端，根据不同的加工任务选取不同的执行工具，所述计算机用于连接数据采集模块以及工业机器人控制器；在示教点采集完成后，可以对示教模组进行装拆，保证六维力/力矩传感器的安全使用，末端执行工具根据不同的加工任务进行选取，根据计算机储存的示教点进行示教还原，可运用实际生产加工任务中如焊接、码垛等任务。

在本实施例中，如图2所示，连接件9固定于工业机器人末端法兰盘，末端执行工具8固定于通用连接件9上，六维力/力矩传感器11固定于连接件10上，其中连接件9和连接件10相互独立，可进行拆卸，手持器12连接于六维力/力矩传感器11上，用于操作者进行示教拖动，当末端执行工具到达加工点后，按下开关按钮13记录当前点数据。

在本实施例中，该装置的实现方法如图3和图4所示，实验装置安装完成后，整个装置上电，计算机作为整个装置的控制主体，工业机器人与计算机之间选择自动连接模式，启动计算机程序，建立于机器人之间的连接。建立连接以后，程序初始化启动，工业机器人回到预先设定的程序初始点，等待示教的开始，数据采集模块开始工作，力/力矩传感器开始工作实时的检测传感器末端的力以及力矩，采集后将采集的模拟信号通过配套的信号放大器进行放大，方便数据采集模块对力信号的采集。

在本实施例中，计算机连接于数据采集模块，计算机程序对数据采集模块采集的数据进行解耦计算，求解出X、Y、Z三个方向的力以及三个方向上的力矩信号；由于力/力矩传感器的轴线与工业机器人末端轴线垂直安装，因此需要将力/力矩传感器坐标系的向量转化到工业机器人工具坐标系下进行表示。建立坐标系之间的联系：

工业机器人末端TCP相对于基坐标系的转化关系是：

工具坐标系(Tool)相对于基坐标系(Base)的转化关系是：

力/力矩传感器坐标系(Sensor)相对于基坐标系(Base)的转化关系是：

在本实施例中，手持器重力补偿算法：计算初始位置手持器重力

在基坐标系下的向量大小并记录：

当机器人末端位姿改变时，重力在传感器坐标系下的三个方向

分力计算：

其中，是程序启动时传感器坐标系相对于机器人基坐标系的位姿矩阵，是程序启动时手持器重力在力传感器坐标系下的分力表示，是末端手持器重力分力在基坐标系下的矩阵表示，是传感器坐标系相对于基坐标系的实时的位姿矩阵的逆，是重力随位姿改变后末端手持器重力在工具坐标系下的分力表示，其随机器人的位姿改变而实时刷新，从而完成对重力补偿的计算。

在本实施例中，手持器重力矩补偿算法：重力矩的补偿重要的是对重心位置的确定，从而快速确定重力引起的三个分力矩的大小。由于实际使用过程中，末端手持器形状不规则的特点，因此无法运用物体的几何中心就是重心的性质，可通过如下算法进行计算：

在末端手持器作用力前，使用该计算方法，求解出重心相对于传感器中心的位置矩阵表达式：[d_x,d_y,d_z]^T，然后保存用于补偿重力分力产生的重力矩，求解出重心的位置矩阵后，为了使所得位置结果更加精确可以测量一组重心的位置坐标，然后取平均值，可以降低误差。

重力补偿结束后，完成传感器末端的力及力矩在传感器坐标系与末端工具坐标之间的转换，转换关系如下:先将力以及力矩在传感器坐标系的表示转换到基坐标系下的表示，

其中^SensorP是力及力矩在传感器坐标系下的矩阵表示，^BaseP是力及力矩在基坐标系下的矩阵表示，是指基坐标与力传感器坐标系之间的转换，再将力及力矩在基坐标系的表示转换到工具坐标系下的表示，转换关系如下：

其中^ToolP是力及力矩在传感器坐标系下的矩阵表示，是基坐标与末端工具坐标系之间的转换的逆。

在本实施例中，完成坐标转换后，将转换后的力以及力矩转化为工业机器人末端的移动以及旋转量，具体算法如下：

移动步长计算公式：

其F_i中代表x、y、z三个方向的力值，3代表力的最小的阀值，当力的绝对值大于3N时才会执行移动，其中k_x是移动系数根据实际应用进行设定，进行运算之前设定一个力最大阀值，当超过一定的最大限值后移动步长不再随之而增加，而是定值。

转动步长计算公式：

其中T_i代表x、y、z三个方向的力矩值，2代表力矩的最小的阀值，当力矩的绝对值大于2时才会执行转动，其中k_θ是转动系数根据实际应用进行设定，进行运算之前设定一个力最大阀值，当超过一定的最大限值后转动步长不再随之而增加，而是定值。

速度的计算公式：

速度的计算采用Sigmoid函数，当力大于某值时速度达到极限值不再增加。

上位机将计算出的末端工具平移量以及旋转量通过基于Socket通讯发送给机器人执行相对于的运动，从而完成示教移动。

在本实施例中，在工业机器人到达示教点后，按下手持器上的开关按钮，对当前示教点信息进行记录，由计算机对当前的示教点进行储存，在没有力作用的情况下工业机器人继续保持当前的位置姿态静止，示教点数据采集完成后对示教模组进行拆卸，末端执行工具进行示教还原加工。

基于上述步骤即可完成工业机器人的快速示教，该装置在实际使用中可以确保六维力/力传感器的安全使用，示教完成后可运用于下一台工业机器人进行示教。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。