一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)由六自由度機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、PC上位機(jī)、六軸力-力矩傳感器、傳感器控制盒、操作桿組成；控制方法以操作者牽拉動(dòng)作為信號(hào)，由PC上位機(jī)程序處理后實(shí)時(shí)識(shí)別操作者的操作意圖，并轉(zhuǎn)換為機(jī)器人控制信號(hào)以帶動(dòng)機(jī)器人完成多方向的混合平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；根據(jù)力和力矩大小決定運(yùn)動(dòng)速度；并能夠根據(jù)操作者需求，記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡以便再現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種操作者和機(jī)器人協(xié)同操作方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、且具有較強(qiáng)的魯棒性，具有較好的使用和推廣價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療、制造、機(jī)械等領(lǐng)域。更具體地說(shuō)是涉及一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)及其控制方法
【背景技術(shù)】
[0002]六自由度機(jī)器人是一種能夠完成模擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)械電子裝置。它可把任何物件或工具按空間位姿(位置和姿態(tài))的時(shí)變要求進(jìn)行移動(dòng)，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求，醫(yī)學(xué)上能夠用于外科手術(shù)。控制機(jī)器人完成動(dòng)作的傳統(tǒng)方式有兩種:主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式是指以電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作為動(dòng)力，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式精度高，可重復(fù)性好，但是操作復(fù)雜，對(duì)操作者要求高。被動(dòng)式是指操作者人力調(diào)整機(jī)器人使之發(fā)生對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式操作簡(jiǎn)單，但是空間精度低，可重復(fù)性差，并且對(duì)操作者體力要求較大。本發(fā)明結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種通過(guò)在六自由度機(jī)器人末端安裝六軸力-力矩傳感器，以較小的人力牽拉做信號(hào)，以電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作為動(dòng)力的機(jī)器人從動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)，其特征在于:硬件設(shè)備包括六自由度機(jī)器人(I)、機(jī)器人控制柜(2)、PC上位機(jī)(3)、六軸力-力矩傳感器(4)、傳感器控制盒(5)、操作桿(6);六自由度機(jī)器人(I)基座固定在水平桌面上，自由端與六軸力-力矩傳感器(4)一端連接，六軸力-力矩傳感器(4)另一端與操作桿(6)連接，PC上位機(jī)(3)與機(jī)器人控制柜(2)之間使用網(wǎng)線或RS232串口線連接以傳輸運(yùn)動(dòng)命令，機(jī)器人控制柜(2)通過(guò)操作電纜與六自由度機(jī)器人(I)實(shí)現(xiàn)命令傳輸；操作者通過(guò)拖拽、擰動(dòng)操作桿(6)產(chǎn)生力和力矩信號(hào)，由六軸力-力矩傳感器(4)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)傳感器控制盒(5)傳輸至PC上位機(jī)(3)，基于C++環(huán)境，由PC上位機(jī)程序處理后實(shí)時(shí)識(shí)別操作者的操作意圖，并轉(zhuǎn)換為機(jī)器人控制信號(hào)以帶動(dòng)機(jī)器人完成三維空間中的混合平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)力的大小決定平移速度，根據(jù)力矩大小決定旋轉(zhuǎn)速度，并能夠根據(jù)操作者需求，記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡以便再現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
[0004]本發(fā)明中基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)所采用的控制方法特征在于:設(shè)置循環(huán)命令，在每個(gè)循環(huán)中，檢測(cè)力與力矩?cái)?shù)據(jù)。定義坐標(biāo)系如下:以操作桿(6 )連接部分軸向?yàn)閆軸，抓握部分軸向?yàn)閄軸，Y軸垂直于XZ平面(見(jiàn)附圖2 )。Z軸力數(shù)據(jù)直接用于控制六軸機(jī)器人(I)末端沿Z軸平移，Z軸力矩?cái)?shù)據(jù)直接用于控制沿Z軸旋轉(zhuǎn)，X軸力矩與Y軸力、Y軸力矩與X軸力分別相除得到作用點(diǎn)位置，根據(jù)作用點(diǎn)位置能夠判定操作者意圖，實(shí)現(xiàn)沿X、Y軸的平移和旋轉(zhuǎn)，當(dāng)作用點(diǎn)在操作桿(6)型心附近時(shí)，判定操作者意圖為平動(dòng)；當(dāng)作用點(diǎn)在操作桿(6)上并遠(yuǎn)離型心，判定操作者意圖為平動(dòng)復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)計(jì)算所得作用點(diǎn)在操作桿(6)以外，則判定機(jī)器人沿轉(zhuǎn)矩方向做純轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)中心為操作桿型心。速度控制方式特征在于:依據(jù)合力、合力矩大小，設(shè)定相應(yīng)的插值速度和每個(gè)循環(huán)移動(dòng)的步長(zhǎng)，步長(zhǎng)大小決定最高運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)精度。當(dāng)合力、合力矩低于啟動(dòng)閾值，機(jī)器人保持不動(dòng)；當(dāng)合力、合力矩大于啟動(dòng)閾值小于最大閾值，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與合力矩成正比、平移速度與合力成正比；當(dāng)合力、合力矩大于最大閾值，轉(zhuǎn)動(dòng)速度和平動(dòng)速度保持定值。運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)方式，特征在于:設(shè)置循環(huán)命令，在每個(gè)循環(huán)中，檢測(cè)六自由度機(jī)器人(I)各個(gè)關(guān)節(jié)脈沖位置，并保存，再現(xiàn)功能開(kāi)啟時(shí)，程序不斷讀取關(guān)節(jié)脈沖命令，指導(dǎo)六自由度機(jī)器人(I)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，并完成運(yùn)動(dòng)插值。
[0005]本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)及其控制方法優(yōu)點(diǎn)包括:
[0006]1、能識(shí)別操作者主觀意圖，并依此控制機(jī)器人隨動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與操作者的協(xié)同配合，并簡(jiǎn)化對(duì)操作者的要求，方便完成復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
[0007]2、能夠?qū)崟r(shí)儲(chǔ)存機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，并可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)。
[0008]3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、且具有較強(qiáng)的魯棒性，具有較好的使用和推廣價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]在圖1中，六自由度機(jī)器人(I)、機(jī)器人控制柜(2)、PC上位機(jī)(3)、六軸力\力矩傳感器(4)、傳感器控制盒(5)、操作桿(6)。
[0011]圖2是本發(fā)明的機(jī)器人操作桿坐標(biāo)定義示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明的方法總體流程圖。
[0013]圖4是本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)方式判定的流程圖
[0014]圖5是本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算的流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0015]如附圖1所示，本發(fā)明提出的一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人控制方法，硬件部分包括:六自由度機(jī)器人1、機(jī)器人控制柜2、PC上位機(jī)3、六軸力-力矩傳感器4、傳感器控制盒5、操作桿6。六自由度機(jī)器人I固定在水平桌面上，末端自由端裝有六軸力-力矩傳感器4，六軸力-力矩傳感器4另一側(cè)與操作桿6固連。操作者通過(guò)拖拽、擰動(dòng)操作桿6產(chǎn)生力-力矩信號(hào)，由六軸力-力矩傳感器4實(shí)時(shí)檢測(cè)。信號(hào)通過(guò)傳感器控制盒5傳輸至PC上位機(jī)3，基于C++環(huán)境，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)器人的控制。PC上位機(jī)3與機(jī)器人控制柜2之間使用網(wǎng)線或RS232串口線連接以傳輸運(yùn)動(dòng)命令。機(jī)器人控制柜2通過(guò)操作電纜與六自由度機(jī)器人I相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。
[0016]完成硬件連接后，運(yùn)行程序。當(dāng)操作桿6不受外力時(shí)，機(jī)器人不運(yùn)動(dòng)。當(dāng)操作者手握操作桿，提供力和力矩，六軸力-力矩傳感器4實(shí)時(shí)測(cè)量，并識(shí)別操作者意圖，完成多方向的混合平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一定范圍內(nèi)，操作者施加的力越大，平移速度越快；力矩越大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快。
[0017]I)操作模式下，具體程序流程如附圖3:程序開(kāi)始后，就進(jìn)入循環(huán)，每一次循環(huán)中檢查力-力矩輸入是否超過(guò)啟動(dòng)閾值，如果沒(méi)有超過(guò)，則認(rèn)為操作者松手，保持機(jī)器人位置姿態(tài)不變，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)直到操作者提供力-力矩信號(hào)。當(dāng)存在力-力矩信號(hào)時(shí)，依據(jù)輸入各值大小分別判定運(yùn)動(dòng)類型和方向、計(jì)算平移和旋轉(zhuǎn)速度、發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令并記錄運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)機(jī)器人的關(guān)節(jié)脈沖位置。完成后如果操作者沒(méi)有終止程序，則進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
[0018]每個(gè)循環(huán)中，Z軸力數(shù)據(jù)直接用于控制六軸機(jī)器人I末端沿Z軸平移，Z軸力矩?cái)?shù)據(jù)直接用于控制沿Z軸旋轉(zhuǎn)。X軸力矩與Y軸力、Y軸力矩與X軸力分別相除得到作用力臂。根據(jù)力臂長(zhǎng)度，能夠判定操作者意圖，實(shí)現(xiàn)沿Χ、y軸的平移和旋轉(zhuǎn)。判定流程如附圖4。操作桿長(zhǎng)度L為標(biāo)準(zhǔn)，力臂長(zhǎng)度大于L為繞操作桿中心做純轉(zhuǎn)動(dòng)、小于L/2為沿受力方向平移、大于L/2小于L則為轉(zhuǎn)動(dòng)混合平移運(yùn)動(dòng)。
[0019]循環(huán)中，運(yùn)動(dòng)速度的判定流程如附圖5a、5b。當(dāng)力/力矩大于最大閾值，機(jī)器人保持設(shè)定的最大速度運(yùn)動(dòng)；當(dāng)力/力矩介于啟動(dòng)閾值與最大閾值之間，則保證運(yùn)動(dòng)速度與力/力矩成正比。[0020]2)操作者完成動(dòng)作之后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡被保存在文本文件中。再現(xiàn)模式下，能夠通過(guò)讀取文本文件，重復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。
【權(quán)利要求】
1.一種基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)，其特征在于:硬件設(shè)備包括六自由度機(jī)器人(I)、機(jī)器人控制柜(2)、PC上位機(jī)(3)、六軸力-力矩傳感器(4)、傳感器控制盒(5)、操作桿(6);六自由度機(jī)器人(I)基座固定在水平桌面上，自由端與六軸力-力矩傳感器(4) 一端連接，六軸力-力矩傳感器(4)另一端與操作桿(6)連接，PC上位機(jī)(3)與機(jī)器人控制柜(2)之間使用網(wǎng)線或RS232串口線連接以傳輸運(yùn)動(dòng)命令，機(jī)器人控制柜(2)通過(guò)操作電纜與六自由度機(jī)器人(I)實(shí)現(xiàn)命令傳輸；操作者通過(guò)拖拽、擰動(dòng)操作桿(6)產(chǎn)生力和力矩信號(hào)，由六軸力-力矩傳感器(4)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)傳感器控制盒(5)傳輸至PC上位機(jī)(3)，基于C++環(huán)境，由PC上位機(jī)程序處理后實(shí)時(shí)識(shí)別操作者的操作意圖，并轉(zhuǎn)換為機(jī)器人控制信號(hào)以帶動(dòng)機(jī)器人完成三維空間中的混合平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)力的大小決定平移速度，根據(jù)力矩大小決定旋轉(zhuǎn)速度，并能夠根據(jù)操作者需求，記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡以便再現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
2.—種對(duì)如權(quán)利要求1所述的基于六軸力-力矩傳感器的六自由度機(jī)器人操作系統(tǒng)，其采用的控制方法特征在于:設(shè)置循環(huán)命令，在每個(gè)循環(huán)中，檢測(cè)力與力矩?cái)?shù)據(jù)。定義坐標(biāo)系如下:以操作桿(6)連接部分軸向?yàn)閆軸，抓握部分軸向?yàn)閄軸，Y軸垂直于XZ平面(見(jiàn)附圖2)。Z軸力數(shù)據(jù)直接用于控制六軸機(jī)器人(I)末端沿Z軸平移，Z軸力矩?cái)?shù)據(jù)直接用于控制沿Z軸旋轉(zhuǎn)，X軸力矩與Y軸力、Y軸力矩與X軸力分別相除得到作用點(diǎn)位置，根據(jù)作用點(diǎn)位置能夠判定操作者意圖，實(shí)現(xiàn)沿X、Y軸的平移和旋轉(zhuǎn)，當(dāng)作用點(diǎn)在操作桿(6)型心附近時(shí)，判定操作者意圖為平動(dòng)；當(dāng)作用點(diǎn)在操作桿(6)上并遠(yuǎn)離型心，判定操作者意圖為平動(dòng)復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)計(jì)算所得作用點(diǎn)在操作桿(6)以外，則判定機(jī)器人沿轉(zhuǎn)矩方向做純轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)中心為操作桿型心。速度控制方式特征在于:依據(jù)合力、合力矩大小，設(shè)定相應(yīng)的插值速度和每個(gè)循環(huán)移動(dòng)的步長(zhǎng)，步長(zhǎng)大小決定最高運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)精度。當(dāng)合力、合力矩低于啟動(dòng)閾值，機(jī)器人保持不動(dòng)；當(dāng)合力、合力矩大于啟動(dòng)閾值小于最大閾值，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與合力矩成正比、平移速度與合力成正比；當(dāng)合力、合力矩大于最大閾值，轉(zhuǎn)動(dòng)速度和平動(dòng)速度保持定值。運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)方式，特征在于:設(shè)置循環(huán)命令，在每個(gè)循環(huán)中，檢測(cè)六自由度機(jī)器人(I)各個(gè)關(guān)節(jié)脈沖位置，并保存，再現(xiàn)功能開(kāi)啟時(shí)，程序不斷讀取關(guān)節(jié)脈沖命令，指導(dǎo)六自由度機(jī)器人(I)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，并完成運(yùn)動(dòng)插值。
【文檔編號(hào)】B25J9/18GK103600351SQ201310557059
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】王豫, 朱罡, 趙向蕊, 裴葆青, 樊瑜波, 李德玉, 蘇磊 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)