一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，包括底座、與底座連接的多關(guān)節(jié)臂，多關(guān)節(jié)臂與底座的連接關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)臂自身的各關(guān)節(jié)處均通過關(guān)節(jié)軸傳動連接，還包括檢測并記錄關(guān)節(jié)軸的動作情況的編碼器，所述關(guān)節(jié)軸與電機(jī)連接，編碼器與控制系統(tǒng)電連接，還設(shè)有助力運(yùn)算系統(tǒng)，所述多關(guān)節(jié)臂末端設(shè)有操控感知機(jī)構(gòu)，所述助力運(yùn)算系統(tǒng)分別與電機(jī)以及操控感知機(jī)構(gòu)電連接。還公開了上述機(jī)器人的控制方法。本發(fā)明通過操控感知機(jī)構(gòu)上觸發(fā)信號確定關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動方向，使電機(jī)提供助力力矩的過程變得流暢、靈敏。并且其信號處理的運(yùn)算量較少、無需求解復(fù)雜的動力學(xué)方程，因而對CPU的運(yùn)算能力的要求也大大降低。本發(fā)明可用于如噴涂生產(chǎn)線等領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)機(jī)器人的控制方法，特別是一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，以及上述手把手示教機(jī)器人的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對于手把手示教機(jī)器人，示教輕便與否是衡量其是否實(shí)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。中國專利文件CN103425100A公開了一種基于力矩平衡的機(jī)器人直接示教控制方法其通過時刻檢測關(guān)節(jié)軸的位置，提供相應(yīng)的力矩以確保機(jī)器人的多關(guān)節(jié)臂自身處于力平衡狀態(tài)，并采用編碼器檢測關(guān)節(jié)軸的電機(jī)信號，從而獲得多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動時各關(guān)節(jié)軸的實(shí)際運(yùn)動方向。但時刻檢測關(guān)節(jié)軸位置的方案對檢測系統(tǒng)和運(yùn)算系統(tǒng)的要求很高；采用編碼器檢測運(yùn)動方向則需要關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動起來后才能感知運(yùn)動方向，這樣明顯會產(chǎn)生滯后，不能及時消除多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動阻力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種低成本、反應(yīng)靈敏的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人。
[0004]還提供了上述手把手示教機(jī)器人的控制方法。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:
一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，包括底座、與底座連接的多關(guān)節(jié)臂，多關(guān)節(jié)臂與底座的連接關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)臂自身的各關(guān)節(jié)處均通過關(guān)節(jié)軸傳動連接，還包括檢測并記錄關(guān)節(jié)軸的動作情況的編碼器，所述關(guān)節(jié)軸與電機(jī)連接，編碼器與控制系統(tǒng)電連接，還設(shè)有助力運(yùn)算系統(tǒng)，所述多關(guān)節(jié)臂末端設(shè)有操控感知機(jī)構(gòu)，所述助力運(yùn)算系統(tǒng)分別與電機(jī)以及操控感知機(jī)構(gòu)電連接。
[0006]本發(fā)明所述各個關(guān)節(jié)軸的減速比的取值范圍是5:1?70:1。
[0007]本發(fā)明還包括氣缸平衡機(jī)構(gòu)，所述氣缸平衡機(jī)構(gòu)包括固定端鉸接在底座上、活塞桿端與多關(guān)節(jié)臂鉸接的氣缸。
[0008]本發(fā)明所述操控感知機(jī)構(gòu)可以是包括手柄和多個微動觸點(diǎn)，所述手柄可擺動地鉸接在多關(guān)節(jié)臂上，并設(shè)有復(fù)位彈簧，所述微動觸點(diǎn)與助力運(yùn)算系統(tǒng)電連接；也可以是能檢測操作力的大小動態(tài)以及方向的力傳感器。
[0009]一種應(yīng)用于上述基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟: 包括預(yù)先測定多關(guān)節(jié)臂處于任意位姿下各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，建立一個與多關(guān)節(jié)臂位姿相關(guān)聯(lián)的助力運(yùn)算系統(tǒng)；
手把手示教時，按多關(guān)節(jié)臂所處的位姿，助力運(yùn)算系統(tǒng)通過插值法得到各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，并根據(jù)操作者在操控感知機(jī)構(gòu)上觸發(fā)的信號確定關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動方向，由電機(jī)向關(guān)節(jié)軸提供助力力矩，使多關(guān)節(jié)臂易于被操作者拖動進(jìn)行示教。
[0010]上述控制方法中，當(dāng)所述操控感知機(jī)構(gòu)是力傳感器時，電機(jī)提供的助力力矩包括是關(guān)節(jié)軸恰好處于靜止的靜態(tài)力矩，以及輔助多關(guān)節(jié)臂加速運(yùn)動的、考慮了慣性影響的動態(tài)力矩。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
摒棄通過編碼器獲取關(guān)節(jié)軸運(yùn)動方向的方法，改由操作者在操控感知機(jī)構(gòu)上觸發(fā)信號確定關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動方向，使電機(jī)提供助力力矩的過程變得流暢、靈敏。并且其信號處理的運(yùn)算量較少、無需求解復(fù)雜的動力學(xué)方程，因而對CPU的運(yùn)算能力的要求也大大降低。本發(fā)明可用于如噴涂生產(chǎn)線等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單說明。顯然，所描述的附圖只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他設(shè)計(jì)方案和附圖。
[0013]圖1是本發(fā)明所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是助力運(yùn)算系統(tǒng)測量大臂的助力力矩的示意圖；
圖3是助力運(yùn)算系統(tǒng)測量小臂的助力力矩的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]以下將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整地描述，以充分地理解本發(fā)明的目的、特征和效果。顯然，所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其他實(shí)施例，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外，文中所提到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實(shí)施情況，通過添加或減少聯(lián)接輔件，來組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明創(chuàng)造中的各個技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。
[0015]一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，包括底座、與底座連接的多關(guān)節(jié)臂，多關(guān)節(jié)臂與底座的連接關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)臂自身的各關(guān)節(jié)處均通過關(guān)節(jié)軸傳動連接，還包括檢測并記錄關(guān)節(jié)軸的動作情況的編碼器，所述關(guān)節(jié)軸與電機(jī)連接，編碼器與控制系統(tǒng)電連接，還設(shè)有助力運(yùn)算系統(tǒng)，所述多關(guān)節(jié)臂末端設(shè)有操控感知機(jī)構(gòu)，所述助力運(yùn)算系統(tǒng)分別與電機(jī)以及操控感知機(jī)構(gòu)電連接。
[0016]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述各個關(guān)節(jié)軸的減速比的取值范圍是5:1?70:1?？刂脐P(guān)節(jié)軸減速比是為了使多關(guān)節(jié)臂能夠被人力所拖動，也因?yàn)檫^大的減速比可能會過分放大電機(jī)提供的力矩而使得多關(guān)節(jié)臂不可控。
[0017]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括氣缸平衡機(jī)構(gòu)，所述氣缸平衡機(jī)構(gòu)包括固定端鉸接在底座上、活塞桿端與多關(guān)節(jié)臂鉸接的氣缸。
[0018]實(shí)施例1
參照圖1，所述基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人包括支承于底座上可繞垂直軸線a-a (Jl關(guān)節(jié)軸)轉(zhuǎn)動的大臂座,支承于大臂座可繞軸心b (J2關(guān)節(jié)軸)前后擺動的大臂，支承于大臂可繞軸心C (J3關(guān)節(jié)軸)上下擺動的小臂座，安裝于小臂座內(nèi)可繞其軸線d-d (J4關(guān)節(jié)軸)轉(zhuǎn)動的小臂，安裝于小臂端部可繞軸線e-e (J5關(guān)節(jié)軸)擺動的腕擺段，安裝于腕擺段可繞軸線(J6關(guān)節(jié)軸)轉(zhuǎn)動并用于安裝工具的腕轉(zhuǎn)段。
[0019]大臂座上安裝有第一氣缸I，其一端與大臂座鉸接，活塞桿一端與小臂座的支承軸鉸接，用于大臂的平衡。當(dāng)大臂轉(zhuǎn)動到某一位置時，第一氣缸I拉力產(chǎn)生一力矩，其方向始終與大臂自身不平衡力矩相反，角度越大大臂自身的不平衡力矩越大，而第一氣缸I的力臂也越大即其產(chǎn)生的抵抗力矩也越大，選擇良好的支承點(diǎn)將使大臂在任意位置都能達(dá)到基本的平衡。
[0020]在大臂座上通過鉸鏈安裝有第二氣缸2，第二氣缸2的活塞桿端與連桿3下部鉸接，連桿3上部與小臂鉸接，所述第二氣缸2與連桿3用于小臂的平衡，工作原理同上。
[0021]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)所述操控感知機(jī)構(gòu)可以是包括手柄和多個微動觸點(diǎn)，所述手柄可擺動地鉸接在多關(guān)節(jié)臂上，并設(shè)有復(fù)位彈簧，所述微動觸點(diǎn)與助力運(yùn)算系統(tǒng)電連接；也可以是能檢測操作力的大小動態(tài)以及方向的力傳感器。
[0022]一種應(yīng)用于上述基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟: 包括預(yù)先測定多關(guān)節(jié)臂處于任意位姿下各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，建立一個與多關(guān)節(jié)臂位姿相關(guān)聯(lián)的助力運(yùn)算系統(tǒng)；
手把手示教時，按多關(guān)節(jié)臂所處的位姿，助力運(yùn)算系統(tǒng)通過插值法得到各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，并根據(jù)操作者在操控感知機(jī)構(gòu)上觸發(fā)的信號確定關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動方向，由電機(jī)向關(guān)節(jié)軸提供助力力矩，使多關(guān)節(jié)臂易于被操作者拖動進(jìn)行示教。
[0023]實(shí)施例2
助力力矩的大小可以通過事先測定得到，測定的方法之一如，對某一關(guān)節(jié)軸，在某一位置下對電機(jī)施加不同的力矩，可以得到在此位置下該關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，以此作為該關(guān)節(jié)在此位置下的正或反向助力力矩值。按此方法對若干位置進(jìn)行測量可建立一個與多關(guān)節(jié)臂位姿相關(guān)聯(lián)的助力運(yùn)算系統(tǒng)，示教控制時再通過在助力運(yùn)算系統(tǒng)內(nèi)查找插值得到該關(guān)節(jié)軸在特定位置時所需的助力力矩。
[0024]以大臂為例，雖然經(jīng)過平衡設(shè)計(jì)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)比較容易被拖動示教的功能，但由于其承載重量較大，相應(yīng)地其轉(zhuǎn)動時的磨擦阻力和慣性阻力也會略大些，而通過電機(jī)提供助力力矩則會使其示教時的輕便性大大提高。助力力矩的具體實(shí)現(xiàn)方法如下:首先在調(diào)試階段測量出大臂在不同姿態(tài)下的臨界平衡力矩值(分正向和反向)，如圖2所示，以正向?yàn)槔?，將大臂運(yùn)動區(qū)間均分為10段，對應(yīng)11個位置點(diǎn)(D1，D2，……，D11)，分別測出各位置點(diǎn)的正向臨界平衡力矩(Tl，T2，……，Tll)，這些數(shù)據(jù)保存在助力運(yùn)算系統(tǒng)中，在示教時實(shí)時檢測大臂的當(dāng)前位置D，設(shè)其所對應(yīng)的區(qū)間為(D7，D8)，則對應(yīng)此位置的正向助力力矩為:
T = T7 + (T8 - T7) / (D8 - D7) * (D - D7)。
[0025]實(shí)施例3
前端關(guān)節(jié)軸的平衡狀態(tài)通常會與后端關(guān)節(jié)的姿態(tài)有關(guān)，如J5關(guān)節(jié)軸會對J3關(guān)節(jié)軸有影響。當(dāng)影響不大時為簡化處理可以不用考慮，僅按實(shí)施例1的方法處理就可以了 ；當(dāng)需要考慮這種影響時，則需要標(biāo)定出對應(yīng)前端關(guān)節(jié)軸某一位置時其后端關(guān)節(jié)軸在不同位置時的臨界平衡力矩，由此得到的是一組多元數(shù)據(jù)，在示教控制時要根據(jù)相關(guān)關(guān)節(jié)軸的實(shí)際位置數(shù)據(jù)來得到確定的助力力矩。
[0026]以小臂上的J3關(guān)節(jié)軸為例，考慮腕擺段的姿態(tài)對小臂的影響，當(dāng)負(fù)載較大且重心較遠(yuǎn)時，其影響還是比較明顯的?？紤]這種影響時的助力力矩標(biāo)定方法如圖3所示。
[0027]設(shè)定小臂的標(biāo)定位置(Al，A2，……，A9)，對小臂的每一位置Ai，測出其對應(yīng)不同腕擺段位置(Bil，Bi2，……，Bi6)時的臨界平衡力矩(Til，Ti2，……，Ti6)。在示教控制時，實(shí)時檢測小臂和腕擺段的編碼位置A、B，設(shè)小臂所在區(qū)間為(A3，A4)，腕擺段所在區(qū)間為(B4，B5),則對應(yīng)A3、A4位置的力矩分別為:
T3=T34+ (Τ35-Τ34) / (Β35-Β34)* (Β-Β34)；
Τ4=Τ44+ (Τ45-Τ44) / (B45-B44) * (B-B44)；
因此對應(yīng)位置A的力矩為T=T3+ (Τ4-Τ3)/ (Α4-Α3)* (Α-Α3)。
[0028]作為上述控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)所述操控感知機(jī)構(gòu)是力傳感器時，電機(jī)提供的助力力矩包括是關(guān)節(jié)軸恰好處于靜止的靜態(tài)力矩，以及輔助多關(guān)節(jié)臂加速運(yùn)動的、考慮了慣性影響的動態(tài)力矩。所述的動態(tài)力矩是通過關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量與慣量補(bǔ)償系數(shù)相乘求得，所述慣量補(bǔ)償系數(shù)是通過傳感器的反饋量與比例系數(shù)相乘求得。
[0029]以上對本發(fā)明的較佳實(shí)施方式進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，包括底座、與底座連接的多關(guān)節(jié)臂，多關(guān)節(jié)臂與底座的連接關(guān)節(jié)以及多關(guān)節(jié)臂自身的各關(guān)節(jié)處均通過關(guān)節(jié)軸傳動連接，還包括檢測并記錄關(guān)節(jié)軸的動作情況的編碼器，所述關(guān)節(jié)軸與電機(jī)連接，編碼器與控制系統(tǒng)電連接，其特征在于:還設(shè)有助力運(yùn)算系統(tǒng)，所述多關(guān)節(jié)臂末端設(shè)有操控感知機(jī)構(gòu)，所述助力運(yùn)算系統(tǒng)分別與電機(jī)以及操控感知機(jī)構(gòu)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，其特征在于:所述各個關(guān)節(jié)軸的減速比的取值范圍是5:1?70:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，其特征在于:還包括氣缸平衡機(jī)構(gòu)，所述氣缸平衡機(jī)構(gòu)包括固定端鉸接在底座上、活塞桿端與多關(guān)節(jié)臂鉸接的氣缸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，其特征在于:所述操控感知機(jī)構(gòu)包括手柄和多個微動觸點(diǎn)，所述手柄可擺動地鉸接在多關(guān)節(jié)臂上，并設(shè)有復(fù)位彈簧，所述微動觸點(diǎn)與助力運(yùn)算系統(tǒng)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人，其特征在于:所述操控感知機(jī)構(gòu)是能檢測操作力的大小動態(tài)以及方向的力傳感器。
6.—種應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的基于電機(jī)助力的手把手不教機(jī)器人的控制方法，其特征在于包括以下步驟: 預(yù)先測定多關(guān)節(jié)臂處于任意位姿下各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，建立一個與多關(guān)節(jié)臂位姿相關(guān)聯(lián)的助力運(yùn)算系統(tǒng)； 手把手示教時，按多關(guān)節(jié)臂所處的位姿，助力運(yùn)算系統(tǒng)通過插值法得到各關(guān)節(jié)軸在正方向或反方向恰好處于靜止的臨界平衡力矩值，并根據(jù)操作者在操控感知機(jī)構(gòu)上觸發(fā)的信號確定關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動方向，由電機(jī)向關(guān)節(jié)軸提供助力力矩，使多關(guān)節(jié)臂易于被操作者拖動進(jìn)行示教。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電機(jī)助力的手把手示教機(jī)器人控制方法，其特征在于:當(dāng)所述操控感知機(jī)構(gòu)是力傳感器時，電機(jī)提供的助力力矩包括是關(guān)節(jié)軸恰好處于靜止的靜態(tài)力矩，以及輔助多關(guān)節(jié)臂加速運(yùn)動的、考慮了慣性影響的動態(tài)力矩。
【文檔編號】B25J11/00GK104162890SQ201410318590
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】倪立新, 劉達(dá), 劉汝發(fā) 申請人:倪立新, 劉達(dá), 劉汝發(fā)