專利名稱：一種用于工業機器人牽引示教的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于工業機器人的現場示教裝置，特別是一種手持式牽引示教的方法和系統。
背景技術：
目前，各種結構形式的工業機器人廣泛應用于各種工業自動化場合，完成各種復雜任務。由于工業生產中任務復雜多變，企業為提高作業效率，需要能夠高效地切換任務、調整設備和程序，進而需要提高工業機器人的編程效率，縮短編程時間。但是，工業機器人的編程方式有其不足之處。通常來說，目前工業機器人的多采用示教方式完成程序輸入。所謂示教，即將特定路徑的起點、終點、關鍵點坐標值及運動方式預先存儲在機器人控制器中，由運動控制器根據起點、終點、關鍵點的坐標值，按照指定的運動方式完成路徑規劃和軌跡插補，進而驅動工業機器人沿著該特定路徑運動，并在此過程中驅動外部設備的過程，外部設備可以為焊槍、噴槍、手抓等。目前，工業機器人采用的示教方式主要有三類:一是現場示教，多采用示教盒，由工作人員引導工業機器人沿著預期路徑行走，并記錄若干點路徑坐標，然后由操作人員調用該路徑坐標，使機器人依次運動，該方式直觀簡便，對操作人員技術水平要求低，但是效率較低、占用生產時間、誤差較大且不可控；二是虛擬示教，通過計算機構建工業機器人、作業環境、工件的三維模型，通過拾取三維模型的邊緣特征的方法等獲取作業曲線，自動生成運動程序，然后傳送至工業機器人，完成作業，該方式高效，并且能夠與數字化的三維模型完美結合，但是對操作人員要求高，且其三維模型與實際設備的完全一致性無法保證，對工業機器人絕對精度要求較高，若理論位置和實際位置偏差過大，會引起碰撞或作業質量低下；三是牽引示教，由操作人員驅動六自由度手腕，該手腕將操作人員手部的牽引力、扭轉力矩經解耦計算，分析出操作人員的控制意圖，并發送給工業機器人控制器，工業機器人控制器根據該壓力和扭轉力矩數值的大小和方向，驅動工業機器人各個關節協調運轉，實現隨動、伺服控制，該方式高效、直觀、可靠，但是目前六自由度手腕的價格較高，機器人一般沒有配備與該手腕進行通訊的接口和協議，需要對機器人二次開發，添加軟件或硬件設備，完成機器人與手腕的通訊和控制。如前所述，三種示教方式，都有一定的不足，影響了生產效率。因而，設計一種簡單、方便、價格低廉、易于操作維護的工業機器人示教裝置尤為關鍵。

發明內容
為了解決牽引示教中六自由度手腕價格較高、必須二次開發的問題，本發明提出了一種基于壓力傳感器和三維位姿傳感器的手持式示教裝置。本發明所采用的技術方案是:一種用于工業機器人牽引示教的方法和系統，包括三維壓力變送裝置，用于感受沿著三個正交空間維度的壓力；還包括與所述的三維壓力變送裝置相連的主控制器，用于感受來自所述的三維壓力變送裝置的壓力信號，并結合其內部的位姿傳感器信號，計算操作人員的控制意圖，并轉化為運動指令發送至工業機器人，以使工業機器人同步運動；還包括磁性吸附裝置，用于產生磁場；還包括球狀固定端，用于吸附所述的磁性吸附裝置，防止磁性吸附裝置脫落，并為球狀吸附裝置提供較大的調整、轉動空間。本發明的有益效果是:一、系統結構簡單，成本較低；二、操作人員操作方便，易于適應；三、提高了現場示教的效率。


:圖1是用于工業機器人牽引示教裝置的系統結構圖；圖2是三維壓力變送裝置的結構圖；圖3是主控制器的結構圖；圖4是氣囊配氣與檢測裝置的結構圖；圖5是磁性吸附裝置的結構圖；圖6是本發明所采的方法相對應的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖1，一種用于工業機器人牽引示教的系統，包括三維壓力變送裝置1、主控制器2、磁性吸附裝置3、球狀固定端4。所述的三維壓力變送裝置1，用于感受沿著空間三個維度的壓力大小和方向，內有一六面體芯，其輸出接口為六個柔性氣體管路，每個柔性氣體管路與所述的主控制器2連接，用于接受來自所述的主控制器2壓力氣體，并將六面體芯上的壓力傳送至主控制器2 ；進一步，所述的三維壓力變送裝置I與所述的主控制器2的外殼通過雙頭螺釘(圖中未示出)固定連接；所述的主控制器2，用于處理來自所述的三維壓力變送裝置I的壓力信號，并結合系統當前位姿，進而判斷操作人員的控制意圖，并轉換為運動指令發送給工業機器人；進一步，所述的主控制器2的外殼與所述的磁性吸附裝置3通過螺釘(圖中未示出)固定連接；所述的磁性吸附裝置3，接受來自所述的主控制器2的電流信號，用于改變其磁場吸附力的大小；進一步，所述的磁性吸附裝置3頂部有球形凹槽；所述的球狀固定端4，其表面為球體，且該球體半徑與所述的磁性吸附裝置3頂部的球形凹槽半徑相等；進一步，所述的磁性吸附裝置3可以繞著所述的球狀固定端4轉動，用于調整所述的三維壓力變送裝置1、主控制器2、磁性吸附裝置3的姿態；參照圖2，所述的三維壓力變送裝置1，包括六面體芯5、薄膜式壓力氣囊6、主殼體
7、側殼體8、頂殼體9和底殼體10 ；所述的六面體芯5的六個面上有凹槽，并在凹槽側邊有柔性氣體管路安裝孔；
進一步，所述的六面體芯5的頂部有螺紋孔，用于與主控制器2的外殼的固定連接；所述的薄膜式壓力氣囊6總計六個，安裝于所述的六面體芯5的相應凹槽內，所述的薄膜式壓力氣囊6帶有柔性充氣管路，該充氣管路材料為中空的柔性塑料管道，并安裝于所述的六面體芯5的柔性管路安裝孔中；所述的主殼體7、側殼體8、頂殼體9和底殼體10通過螺釘(圖中未示出)連接，安裝在所述的六面體芯5的外圍，并與所述的薄膜式壓力氣囊6的頂部相接觸；進一步，所述的頂殼體9有通孔，用于通過螺釘和柔性氣體管路；參照圖3，所述的主控制器2包括:主控制板11、多路開關12、氣囊配氣與檢測裝置13、電流輸出回路14、位姿傳感器15、微型氣泵16、多位連通器17、電流轉換開關18 ；所述的主控制板11，與所述的多路開關12、氣囊配氣與檢測裝置13、電流輸出回路14、位姿傳感器15、微型氣泵16、電流轉換開關18相連，用于接受傳感器信息，經過運算處理后發送控制指令；所述的多路開關12，與所述的氣囊配氣與檢測裝置13相連接，根據所述的主控制板11的控制信號，將來自所述的氣囊配氣于檢測裝置13的壓力信號逐個按次序發送至主控制板11 ;所述的氣囊配氣與檢測裝置13總計六個，與所述的薄膜式壓力氣囊6的充氣管路相連，用于將氣體壓入所述的薄膜式壓力氣囊6 ;進一步，在工作過程中，所述的氣囊配氣與檢測裝置13檢測所述的薄膜式壓力氣囊6的氣體壓力變化，并將檢測數據發送至所述的多路開關12 ；所述的電流輸出回路14與所述的主控制板11相連，用于接受來自所述的主控制板11的控制信號，進而改變其輸出電流的大小；所述的位姿傳感器15與所述的主控制板11相連，用于將系統當前位姿反饋給所述的主控制板11，此處所述的系統當前位姿指該位姿傳感器在地磁場中所感知的俯仰角、偏航角和滾動角；進一步，所述的位姿傳感器15，使用的位姿傳感器芯片型號可以是意法半導體的L3G4200D或相近功能、規格的產品；所述的微型氣泵16與所述的主控制板11相連，接受來自所述的主控制板的啟動和停止"[目號；進一步，所述的微型氣泵16的氣體輸出端與所述的多位連通器17相連；所述的多位連通器17用于將來自所述的微型氣泵16的氣體為無差別的輸送至所述的氣囊配氣與檢測裝置13 ；所述的電流轉換開關18與所述的主控制板11相連，所述的主控制板11收到來自所述的電流轉換開關18的電平信號后，改變所述的電流輸出回路14的電流大小；進一步，所述的電流轉換開關18可以是電阻式、電容式、薄膜式或機械式開關；進一步，所述的電流轉換開關18可以安裝于所述的主殼體7、側殼體8、頂殼體9和底殼體10組合而成的外殼上；此種情況下，當操作人員握持該外殼后，所述的電流轉換開關18閉合，表示進入牽引移動模式，從而所述的主控制板11發送指令給所述的電流輸出回路14增大輸出電流，進而增大所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4之間的磁場力，防止所述的磁性吸附裝置3和所述的球狀固定端4在牽引時移動時脫離或者相對轉動；進一步，當操作人員松開該外殼后，所述的電流轉換開關18斷開，表示進入位姿調整模式或待機模式，從而所述的主控制板11發送指令給所述的電流輸出回路14減小輸出電流，進而減小所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4之間的磁場吸附力，使得所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4只能夠在操作人員外力的作用下相互轉動，但是不脫離；參照圖4，所述的氣囊配氣于壓力檢測裝置13包括:氣體三通接頭19、單電控二位三通閥20，氣體壓力傳感器21 ；所述的氣體壓力傳感器21與所述的氣體三通接頭19的一端相連，用于感知所述的氣體三通接頭19內的氣體壓力；進一步，所述的氣體壓力傳感器21的信號輸出端E與所述的多路開關12的信號輸入端相連，將氣體壓力信號發送給所述的多路開關12 ；進一步，所述的氣體壓力傳感器21的芯片型號可以是日本藤倉公司的XFGN-6025KPGSR或相近功能、規格的產品；進一步，所述的氣體三通接頭19還與所述的薄膜式壓力氣囊6相連，用于將氣體送入薄膜式壓力氣囊6，并將薄膜式壓力氣囊6的壓力傳送至所述的氣體壓力傳感器21 ；所述的單電控二位三通閥20的輸出端口 A與所述的氣體三通接頭19相連，其氣體輸入端口 P與所述的多路聯通器17相連；其電磁控制端口 M與所述的主控制板11的輸出端口相連，通過改變該輸出端口的電平，控制所述的單電控二位三通閥20的閥芯位置，實現對所述的薄膜式壓力氣囊6充氣。參照圖5，所述的磁性吸附裝置包括:底座22、側蓋23、磁體安裝筒24和連接桿25 ；所述的底座22用于安裝所述的主控制器2，其內部有孔，用于通過氣體管路和電子線路；所述的側蓋23共有二個，用于保護所述的主控制器2，并通過螺釘(圖中未示出)與所述的底座21連接；進一步，所述的電流轉換開關18還可以安裝在所述的側蓋23上；此種情況下，當操作人員操持所述的側蓋23時，所述的電流轉換開關18閉合，表示進入位姿調整模式或待機模式，從而所述的主控制板11發送指令給所述的電流輸出回路14調整輸出電流，進而調整所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4之間的磁場力，使得所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4只能在操作人員外力的作用下相互轉動，但是不脫離；進一步，當操作人員松開所述的側蓋23后，所述的電流轉換開關18斷開，表示進入牽引移動模式，從而所述的主控制板11發送指令給所述的電流輸出回路14增大輸出電流，進而增大所述的磁性吸附裝置3與所述的球狀固定端4之間的磁場吸附力，防止所述的磁性吸附裝置3和所述的球狀固定端4在牽引時移動時脫離或者相對轉動；所述的磁體安裝筒24用于產生磁場，其頂部有球形凹槽，該凹槽的半徑與所述的球狀固定端4的球體半徑相同，所述的磁體安裝筒24與所述的球狀固定端4通過磁場力在凹槽處吸附貼合；
進一步，所述的磁體安裝筒24內部有環狀線圈安裝孔，其材料為軟磁或順磁材料，從而線圈安裝孔纏繞線圈(圖中未示出)后產生較強磁場；該線圈與所述的電流輸出回路14相連；所述的連接桿25，一端與所述的球狀固定端4通過螺釘(圖中未示出)連接，另一端用于用于固定于工業機器人的末端。參照圖6，將詳述本發明實現工業機器人牽引示教的方法；系統上電后，進入系統啟動(SlO)狀態,在該狀態中,所述的王控制板11完成程序加載和狀態提；然后進入初始位姿調整(S20)狀態，在該狀態中，所述的主控制板11讀取所述的位姿傳感器15的信號，判斷系統是否在初始狀態，如果不在初始狀態，提示操作人員注意和調整，直至達到初始位姿要求；進一步，在本狀態S20中，操作人員可以通過所述的主控制板11調節所述的電流控制回路14的輸出電流的大小，進而調節所述的磁性吸附裝置3和所述的球狀固定端4之間的吸附力的大小，使得所述的磁性吸附裝置3既可以自由轉動，又不至于跌落；本步驟調節后所得到的電流大小記錄在所述的主控制板11的存儲器中，作為所述的電流切換開關18動作后進入位姿調整模式時，所述的電流輸出回路14的輸出電流的參考值；完成初始位姿調整(S20)后，進入氣囊壓力調整與校核(S30)狀態；在氣囊壓力調整與校核(S30)狀態中，所述的主控制板11通過所述的多路開關12依次檢測來自所述的薄膜式壓力氣囊6的壓力；進一步，如果某薄膜式壓力氣囊6低于預先設定的參考壓力數值，則所述的主控制板11將啟動所述的微型氣泵16，并改變所述的單電控二位三通閥20的閥芯位置，對該薄膜式壓力氣囊充氣，并實時讀取氣體壓力傳感器18輸出的壓力數值，在其壓力達到參考壓力范圍內時，所述的主控制板11關閉微型氣泵16 ;完成六個所述的薄膜式壓力氣囊6的壓力調整校核后，進入操作人員控制與調整狀(S40)狀態；在操作人員控制與調整(S40)狀態中，操作人員可以操作由所述的主殼體7、側殼體8、頂殼體9和底殼體10構成的外殼，向期望的方向運動，貝1J此時相對應的一組薄膜式壓力氣囊6會因該外殼的相對擠壓出現壓力的升高和下降，所述的主控制板11通過所述的多路開關12檢測到該組薄膜式壓力氣囊的壓力差；進一步，操作人員也可以操作由所述的側蓋22構成的殼體，進而調整所述的磁性吸附裝置3和球狀固定端4之間的相互位置，所述的主控制板11通過所述的位姿傳感器15實時獲取當前位姿信息；在計算操作人員控制意圖(S50)中，綜合操作人員控制與調整(S40)狀態中獲取的壓力差和當前位姿信息，計算出所期望的運動方向；進一步，還可以根據該壓力差的大小調整運動速度，做到零力控制；完成運動方向和速度計算后，進入發送指令給工業機器人(S60)狀態，在該狀態中，所述的主控制板11根據工業機器人的指令格式和通訊接口協議，發送運動指令給工業機器人；進一步，所述的主控板11可以有多種通訊方式，以適配不同廠家和類型的工業機器人。
權利要求
1.一種用于工業機器人牽引示教的手持系統，該系統包括:三維壓力變送裝置、與所述的三維壓力變送裝置相連的主控制器、磁性吸附裝置、球狀固定端。
2.如權利要求1所述的一種用于工業機器人牽引示教的手持系統，其特征在于:所述的三維壓力變送裝置包括六面體芯、安裝在六面體芯凹槽內的薄膜式壓力氣囊以及組合式外殼，從而薄膜式壓力氣囊受到組合式外殼擠壓時，氣囊的內部壓力發生變化。
3.如權利要求1所述的一種用于工業機器人牽引示教的手持系統，其特征在于:所述的主控制器包括位姿傳感器、電流輸出回路、微型氣泵、氣囊配氣與檢測裝置、多路開關、多位連通器和電流轉換開關。
4.如權利要求3所述的主控制器，其特征為:所述的氣囊配氣與檢測裝置包括單電控二位三通閥、氣體三通接頭和氣體壓力傳感器。
5.如權利要求3所述的主控制器，其特征為:所述的電流轉換開關可以安裝在組合式外殼上或側蓋上，從而當電流轉換開關閉合或斷開后，主控制板改變電流輸出回路電流的大小以改變磁場吸附力。
6.如權利要求1所述的一種用于工業機器人牽引示教的手持系統，其特征在于:所述的磁性吸附裝置包括一個磁體安裝筒。
7.如權利要求6所述的磁性吸附裝置，其特征在于:所述的磁體安裝筒的材質為順磁或軟磁材料，頂部有球形凹槽，內部可以纏繞導線以產生磁場。
8.如權利要求6所述的磁性吸附裝置，其特征在于:所述的磁體安裝筒的頂部凹槽的半徑與所述的球狀固定端的球體的半徑相等。
9.一種用于工業機器人牽引示教的方法，該方法使用具有三維壓力變送裝置、主控制器、磁性吸附裝置和球狀固定端的工業機器人牽引示教的手持系統，該方法包括:初始位姿調整、氣囊壓力調整與 校核、操作人員控制與調整、計算操作人員控制意圖、發送指令給工業機器人。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的初始位姿調整包括: 根據位姿傳感器信號判斷是否為初始狀態，并提醒操作人員調整；操作人員可以調整電流控制回路輸出電流的大小以改變磁場吸附力，并將該電流數值記錄與主控制器的存儲器中，作為預設壓力。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的氣囊壓力調整與校核包括: 主控制板檢測薄膜式壓力氣囊的壓力并與預設壓力比較，進而啟動微型氣泵或/和單電控二位三通氣閥，調整氣囊壓力至預設壓力。
12.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的操作人員控制與調整包括: 操作人員通過操作外殼擠壓一組或多組薄膜式壓力氣囊產生壓力差，并被主控制器依次讀取；操作人員調整電流輸出回路的電流大小以改變磁場吸附力；操作人員調整磁性吸附裝置和球狀固定斷之間的相互位置，以調整位姿。
13.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的計算操作人員控制意圖包括: 根據系統當前位姿或/和一組薄膜式壓力氣囊的壓力差判斷操作人員的期望移動方向；進一步，根據壓力差的大小設定工業機器人的運轉速度，實現零力控制。
全文摘要
一種用于工業機器人牽引示教的方法和系統，包括三維壓力變送裝置，用于感受沿著三個正交空間維度的壓力；還包括與所述的三維壓力變送裝置相連的主控制器，用于感受來自所述的三維壓力變送裝置的壓力信號，并結合其內部的位姿傳感器信號，計算操作人員的控制意圖，并轉化為運動指令發送至工業機器人，以使工業機器人同步運動；還包括磁性吸附裝置，用于產生磁場；還包括球狀固定端，用于吸附所述的磁性吸附裝置，防止磁性吸附裝置脫落，并為球狀吸附裝置提供較大的調整、轉動空間。
文檔編號B25J13/08GK103213136SQ201310097210
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者趙鳳申, 蔡晶晶, 丁建波, 徐陽, 錢玉婷 申請人:南通航運職業技術學院