本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)器人示教方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工業(yè)中，隨著智能化和自動化程度的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，其中示教系統(tǒng)是機(jī)器人控制系統(tǒng)重要的組成部分。傳統(tǒng)機(jī)器人操作通常是通過鼠標(biāo)、鍵盤或者示教盒進(jìn)行，示教過程存在安全性差，智能程度低，操作復(fù)雜，人機(jī)交互不友好等一系列問題。
機(jī)器人示教在目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域已有相對較長的研究和發(fā)展歷史，但手勢示教研究在國內(nèi)起步晚，技術(shù)尚不成熟，本發(fā)明同之前已有的專利有著較明顯的區(qū)別。申請?zhí)枮?01610459874.2的專利中用戶對于手勢信號的獲取是基于Leap Motion傳感器獲取手勢的位置數(shù)據(jù)以及手勢的姿態(tài)數(shù)據(jù)，手勢負(fù)責(zé)粗調(diào)，語音負(fù)責(zé)微調(diào)，此示教方法需將手勢和語音結(jié)合在一起，缺一不可。申請?zhí)?01610159248.1的專利根據(jù)用戶手勢運動特征點與運動數(shù)據(jù)庫中已保留姿態(tài)的相吻合程度來選擇手勢變化姿態(tài)，并做出相應(yīng)的動作，此方法需要預(yù)設(shè)樣本模板和數(shù)據(jù)庫。申請?zhí)?01510138234.7的專利中所述示教過程是示教器通過檢測設(shè)置在機(jī)械手手指上的傳感器來控制機(jī)械手沿不同方向運動，示教過程較繁瑣、操作較復(fù)雜，智能化程度較低。申請?zhí)?01610363903.5的專利中所述的采集的手勢信號需要與預(yù)設(shè)信號庫的多個預(yù)設(shè)信號相匹配才能生成操作程序。此方法事先得預(yù)設(shè)一些手勢信號存儲在預(yù)設(shè)信號庫里，示教前準(zhǔn)備工作較復(fù)雜。申請?zhí)?01310183427.5的專利中所述示教方法需使用者操作示教工具來指定示教位置，此法還需使用一定的示教工具，操作較不方便，并且此方法僅限于位置示教而不是動作示教。
綜上所述，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單可靠，操作方便靈活且更加方便人機(jī)交互的示教系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)示教過程中存在的安全性差，操作復(fù)雜的問題，有助于提高人機(jī)交互的體驗。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明可采用如下技術(shù)方案：
一種機(jī)器人示教方法，該示教方法使用的系統(tǒng)包括傳感模塊、單片機(jī)、控制開關(guān)、機(jī)械臂，傳感模塊包括陀螺儀及三軸加速度計；包括以下步驟：
(1)、將陀螺儀及三軸加速度計模塊固定在給出操作指令的指示物體上，該指示物體是可運動的；
(2)、陀螺儀輸出指示物體的角速度、角度運動變化數(shù)據(jù)，三軸加速度計輸出指示物體的三維加速度數(shù)據(jù)；
(3)、將步驟(1)中采集的角速度、角度運動變化、三維加速度數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)，經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理去除示教過程中的手勢抖動和傳感器雜波等干擾數(shù)據(jù)；
(4)、單片機(jī)以角速度、角度運動變化、三維加速度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次積分運算得到機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的移動距離數(shù)據(jù)，將角度運動數(shù)據(jù)直接輸出為機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)；
(5)、對步驟(4)得到的機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的移動距離及轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，舍棄超過機(jī)械臂運動范圍的移動距離和/或轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)；若得到符合機(jī)械臂運動范圍的移動距離和/或轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)，則進(jìn)入下一步驟；
(6)、對步驟(5)中得到的符合機(jī)械臂運動范圍的移動距離和/或轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)，由單片機(jī)通過I/O口將信號傳遞給機(jī)械臂電機(jī)，驅(qū)動機(jī)械臂完成指定動作。
有益效果：
1、通過這種機(jī)器人的示教方法，可以使用戶自由選擇在機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間或操作空間進(jìn)行手勢示教，更加人性化，更容易貼合用戶的自然示教方式。
2、用戶可以通過選擇微量運動或大幅度運動兩種模式來對機(jī)器人進(jìn)行示教，更加方便用戶的操作，避免用戶操作不當(dāng)而導(dǎo)致的示教誤差，尤其極大地提高了微量運動的示教過程的示教精度。通過選擇微量運動方式，可以極大地提高機(jī)械臂在運動變化量較小的條件下工作的安全性，而且可以進(jìn)一步地增加機(jī)械臂運動的精度，通過手勢發(fā)生更大幅度的操作變化，也可以改善設(shè)備的人機(jī)友好性；大幅度運動方式的選擇則可以在機(jī)械臂運動量較大的條件下減少手勢實際地變化量，使手勢操作更加靈活，簡單。
3、單片機(jī)中事先保存的機(jī)械臂運動邊界，可以避免用戶的操作不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)械臂運動超出可行范圍。一方面避免了機(jī)械臂的破損，另一方面也為用戶的安全提供了一定的保證。
4、這種機(jī)器人示教方法是實時進(jìn)行的，不需要事先保存手勢變化資料庫，這樣既使機(jī)械臂的變化更加多樣，滿足實際生產(chǎn)要求，也易于維護(hù)，可以及時糾正不當(dāng)?shù)氖窘套藨B(tài)，使機(jī)械臂的變化更加逼近預(yù)期效果。
進(jìn)一步的，所述指示物體為操作者的手。
進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的單片機(jī)具有進(jìn)行卡爾曼濾波的能力，即可以利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程。
進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的單片機(jī)在通過卡爾曼濾波算法處理信號時，需要建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型：
其中Φ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Γ是噪聲轉(zhuǎn)移矩陣，w(k)是動態(tài)噪聲，C是測量矩陣，v(k)是測量噪聲，Xk+1、y(k)是采用時刻的狀態(tài)及測量值；
對應(yīng)上述方程的卡爾曼濾波過程如下：
Pk|k-1＝ΦPk-1ΦT+ΓQΓT
Kk＝Pk/k-1CT(CPk/k-1CT+R]-1
Pk＝(1-KkC)Pk|k-1
其中，為利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果，是上一狀態(tài)最優(yōu)結(jié)果，Pk|k-1是對應(yīng)的誤差方差，Pk-1是對應(yīng)的誤差方差，Q是系統(tǒng)動態(tài)白噪聲的方程矩陣，R是系統(tǒng)觀測噪聲的方程矩陣。
進(jìn)一步的，步驟(4)中，所述加速度兩次積分求位移的過程具體如下：
設(shè)加速度傳感器測得的加速度為：a(k)
對加速度積分一次可得速率：
對速率信號積分一次可得位移：
其中，a(k)為加速度信號，v(k)為速率信號，s(k)為位移信號，ak為k時刻的加速度采樣值，vk為k時刻的速率值，a0＝0，v0＝0，Δt為k時刻、k-1時刻兩次采樣之間的時間差。
進(jìn)一步的，所述的對運動信號進(jìn)行選擇的控制開關(guān)應(yīng)包括兩個控制按鈕，每種按鈕包含兩種工作狀態(tài)，相應(yīng)地決定了輸出信號類型為大幅度運動信號或微量運動信號，關(guān)節(jié)空間運動或操作空間運動。
附圖說明
圖1為機(jī)器人示教方法方案圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例的附圖，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施例來進(jìn)行說明：
一種機(jī)器人示教方法，該方法的操作步驟如下：
1)、用魔術(shù)貼等方式將陀螺儀/加速度計模塊1固定在用戶手背上；(圖1中進(jìn)程Ⅰ)
2)、選擇運動信號類型，按下控制開關(guān)按鈕2；(圖1中進(jìn)程Ⅱ)
3)、在保證已佩戴的陀螺儀/加速度計模塊不發(fā)生姿態(tài)變化的前提下，對整個裝置進(jìn)行開機(jī)操作，用戶進(jìn)行手勢示教。陀螺儀輸出指示物體的角速度、角度運動變化數(shù)據(jù)，三軸加速度計輸出指示物體的三維加速度數(shù)據(jù)；采集的角速度、角度運動變化、三維加速度數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)，經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理去除示教過程中的手勢抖動和傳感器雜波等干擾數(shù)據(jù)；單片機(jī)以角速度、角度運動變化、三維加速度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次積分運算得到機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的移動距離數(shù)據(jù)，將角度運動數(shù)據(jù)直接輸出為機(jī)械臂應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)。
觀察單片機(jī)(圖1中部件3)是否發(fā)生報警，如報警燈閃爍。若報警，說明用戶所執(zhí)行的手勢示教動作超出了機(jī)械臂(圖中部件12)運動范圍，此次示教信號數(shù)據(jù)被舍棄，機(jī)械臂保持原狀態(tài)靜止不動，需用戶再次作出正確的示教操作；若不報警，說明用戶操作符合要求，機(jī)械臂會作出相應(yīng)示教動作。(圖1中進(jìn)程Ⅲ)。
其中單片機(jī)在通過卡爾曼濾波算法處理信號時，需要建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型：
其中Φ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Γ是噪聲轉(zhuǎn)移矩陣，w(k)是動態(tài)噪聲，C是測量矩陣，v(k)是測量噪聲，Xk+1、y(k)是采用時刻的狀態(tài)及測量值；
對應(yīng)上述方程的卡爾曼濾波過程如下：
Pk|k-1＝ΦPk-1ΦT+ΓQΓT
Kk＝Pk/k-1CT(CPk/k-1CT+R]-1
Pk＝(1-KkC)Pk|k-1
其中，為利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果，是上一狀態(tài)最優(yōu)結(jié)果，Pk|k-1是對應(yīng)的誤差方差，Pk-1是對應(yīng)的誤差方差，Q是系統(tǒng)動態(tài)白噪聲的方程矩陣，R是系統(tǒng)觀測噪聲的方程矩陣。
而上述所述加速度兩次積分求位移的過程具體如下：
設(shè)加速度傳感器測得的加速度為：a(k)
對加速度積分一次可得速率：
對速率信號積分一次可得位移：
其中，a(k)為加速度信號，v(k)為速率信號，s(k)為位移信號，ak為k時刻的加速度采樣值，vk為k時刻的速率值，a0＝0，v0＝0，Δt為k時刻、k-1時刻兩次采樣之間的時間差。
上文中提到的控制開關(guān)按鈕決定了單片機(jī)輸出信號的類型，進(jìn)而決定了單片機(jī)內(nèi)對傳感器所提供的信號的不同處理方式。
開關(guān)共包含兩個選擇按鈕4、5，每個按鈕各有兩種狀態(tài)，分為A、B和1、2控制狀態(tài)，其中A、B按鈕決定輸出信號類型為大幅度運動信號或微量運動信號，1、2按鈕決定輸出信號類型為關(guān)節(jié)空間運動信號或操作空間運動信號。
如選擇A、1即單片機(jī)向機(jī)械臂傳遞關(guān)節(jié)空間大幅度運動信號；
如選擇A、2即單片機(jī)向機(jī)械臂傳遞操作空間大幅度運動信號；
如選擇B、1即單片機(jī)向機(jī)械臂傳遞關(guān)節(jié)空間微量運動信號；
如選擇B、2即單片機(jī)向機(jī)械臂傳遞操作空間微量運動信號。
其中，決定運動幅度信號的控制按鈕4可以根據(jù)實際情況，通過用戶選擇分別設(shè)定手勢變化信號與實際控制信號的比值，下面以一種實例加以說明。
在本實施例中，當(dāng)由控制開關(guān)決定單片機(jī)輸出大幅度運動信號時，用戶手勢運動距離及轉(zhuǎn)角幅度與機(jī)械臂運動距離及轉(zhuǎn)角幅度的比值為1:1，如用戶執(zhí)行了位移為20cm的直線示教動作，機(jī)械臂作出相同方向的20cm的直線動作；
當(dāng)由控制開關(guān)決定單片機(jī)輸出微量運動信號時，用戶手勢運動距離及轉(zhuǎn)角幅度與機(jī)械臂運動距離及轉(zhuǎn)角幅度的比值為20:1，如用戶執(zhí)行了位移為20cm的直線示教動作，機(jī)械臂作出相同方向的1cm的直線動作。
在其中一個實施例中，所述控制開關(guān)決定輸出信號類型為關(guān)節(jié)空間或操作空間運動信號取決于實際操作要求和范圍，若要求機(jī)械臂末端快速到達(dá)較遠(yuǎn)處某一位置，可選擇關(guān)節(jié)空間控制按鈕；若要求機(jī)械臂末端較精確地執(zhí)行一動作，可選擇操作空間控制按鈕；也可根據(jù)需要按順序結(jié)合使用關(guān)節(jié)和操作空間按鈕。
4)、根據(jù)由控制開關(guān)按鈕所決定的運動方式，單片機(jī)會對接受的經(jīng)過卡爾曼濾波處理的手勢姿態(tài)變化信號進(jìn)行不同的運算，求解出驅(qū)動機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運動的驅(qū)動電機(jī)6～11所應(yīng)發(fā)生的運動幅度，各個驅(qū)動電機(jī)順序?qū)?yīng)了機(jī)械臂上的六個關(guān)節(jié)13～18進(jìn)而使機(jī)械臂在驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下完成整個手勢示教的過程。(圖中進(jìn)程Ⅳ)
本方法的示教操作過程包括：關(guān)節(jié)空間的粗調(diào)，操作空間的微調(diào)，結(jié)合關(guān)節(jié)空間和操作空間進(jìn)行機(jī)器人示教。
關(guān)節(jié)空間的粗調(diào)保證了機(jī)械臂的末端執(zhí)行器可以在較短時間內(nèi)到達(dá)工作點附近，在一定程度上提高了工作效率，節(jié)省了工作時間，也減少了單片機(jī)內(nèi)部的計算量；在操作空間的微調(diào)是針對，當(dāng)機(jī)械臂末端執(zhí)行器到達(dá)工作點附近時，應(yīng)當(dāng)盡可能安全、平穩(wěn)地到達(dá)待加工(工作)區(qū)域，避免因操作不當(dāng)所造成的機(jī)械臂末端執(zhí)行器與工件的碰撞等損壞的發(fā)生，增強(qiáng)了人機(jī)用戶友好性，改善了工作的安全性。
這種結(jié)合關(guān)節(jié)空間和操作空間對機(jī)器人進(jìn)行示教可以使用戶自由選擇在機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間或操作空間進(jìn)行手勢示教，更加人性化，更容易貼合用戶的自然示教需求；也是實時進(jìn)行的，不需要事先保存手勢變化資料庫，這樣既使機(jī)械臂的變化更加多樣，滿足實際生產(chǎn)要求，也易于維護(hù)，可以及時糾正不當(dāng)?shù)氖窘套藨B(tài)，使機(jī)械臂的變化更加逼近預(yù)期效果。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。