本發(fā)明涉及機(jī)械臂和雙臂機(jī)器人同步示教技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)機(jī)械臂的主從模式示教系統(tǒng)及示教方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著機(jī)械臂技術(shù)的迅速發(fā)展，安全協(xié)作和柔性關(guān)節(jié)技術(shù)的提高，機(jī)械臂技術(shù)不在局限于工業(yè)和制造業(yè)，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始使用機(jī)械臂，比如，醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、遠(yuǎn)程控制、安檢等。現(xiàn)有的機(jī)械臂示教已經(jīng)無(wú)法滿足很多應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)機(jī)械臂示教操作提出更高要求。

在使用機(jī)械臂過(guò)程中，制定任務(wù)一般通過(guò)編程示教和拖動(dòng)示教設(shè)置動(dòng)作和工作目標(biāo)，編程示教方式為機(jī)械臂根據(jù)設(shè)置好的編程指令執(zhí)行動(dòng)作，拖動(dòng)示教為拖動(dòng)機(jī)械臂行走，并將行走軌跡存入控制器，以后使用時(shí)，控制器根據(jù)行走軌跡指導(dǎo)機(jī)械臂行走。通過(guò)機(jī)械臂操作界面的編程能夠滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合，但操作過(guò)程較為繁瑣，操作方式不夠簡(jiǎn)單友好。拖動(dòng)示教相比編程示教的優(yōu)點(diǎn)是只需要通過(guò)拖動(dòng)機(jī)械臂手臂就可以完成動(dòng)作的設(shè)計(jì)，不需要去了解紛繁復(fù)雜的命令方式，還可以根據(jù)用戶(hù)拖動(dòng)的速度、軌跡和力度，完成目標(biāo)動(dòng)作。

雖然編程示教和拖動(dòng)示教能夠滿足普通應(yīng)用環(huán)境，然而，對(duì)于非重復(fù)性和對(duì)實(shí)時(shí)操作要求較高的工作，無(wú)法通過(guò)制定任務(wù)方式完成。例如，用于遠(yuǎn)程手術(shù)醫(yī)療的機(jī)械臂，在操作之前需要先經(jīng)過(guò)人為分析和確認(rèn)，然后制定機(jī)械臂移動(dòng)任務(wù)，在未經(jīng)過(guò)人為的分析和確認(rèn)情況下，機(jī)械臂無(wú)法確定下一個(gè)動(dòng)作。這種邊觀察邊操作的方式，無(wú)法通過(guò)編程示教提前做好任務(wù)編程。在手術(shù)過(guò)程中通過(guò)編程方式無(wú)法達(dá)到熟練醫(yī)師的精確度(力度、速度)，而正在實(shí)施手術(shù)的機(jī)械臂又無(wú)法直接拖動(dòng)。

基于以上描述，亟需一種新的針對(duì)機(jī)械臂的示教系統(tǒng)及示教方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的對(duì)于非重復(fù)性和對(duì)實(shí)時(shí)操作要求較高的工作，無(wú)法通過(guò)制定任務(wù)方式完成的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種針對(duì)機(jī)械臂的主從模式示教方法，該方法應(yīng)用于機(jī)械臂和雙臂機(jī)器人同步示教，通過(guò)兩個(gè)相同或具有相同功能的操控裝置，一個(gè)做為示教機(jī)械臂(主控機(jī)械臂)，另一個(gè)做為執(zhí)行工作的機(jī)械臂(從動(dòng)機(jī)械臂)，通過(guò)操作主控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)從動(dòng)機(jī)械臂按照主控機(jī)械臂示教方式運(yùn)行，該方法對(duì)于非重復(fù)性、遠(yuǎn)程操作和對(duì)實(shí)時(shí)操作要求較高的工作，可以通過(guò)制定任務(wù)的方式完成，并達(dá)到高精度要求。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種針對(duì)機(jī)械臂的主從模式示教系統(tǒng)，該示教系統(tǒng)應(yīng)用于以上示教方法，對(duì)于非重復(fù)性、遠(yuǎn)程操作和對(duì)實(shí)時(shí)操作要求較高的工作，可以通過(guò)制定任務(wù)的方式完成，并達(dá)到高精度要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種針對(duì)機(jī)械臂的主/從模式示教系統(tǒng)，包括：

主控機(jī)械臂、作為示教機(jī)械臂，按照預(yù)設(shè)示教方式運(yùn)行；

從動(dòng)機(jī)械臂、作為最終執(zhí)行的機(jī)械臂，按照主控機(jī)械臂示教方式運(yùn)行；

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中央處理器，通過(guò)操作主控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)從動(dòng)機(jī)械臂按照主控機(jī)械臂示教方式運(yùn)行；以及

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、對(duì)主控機(jī)械臂和從動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行標(biāo)定及誤差補(bǔ)償。

作為優(yōu)選，所述實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(rtos)；中央處理器采用intelatom4核心處理器。

一種針對(duì)機(jī)械臂的主/從模式示教方法，該示教方法應(yīng)用于權(quán)利要求1或2所述的示教系統(tǒng)，所述示教方法包括步驟：

操作主控機(jī)械臂按照預(yù)設(shè)方式運(yùn)行，從動(dòng)機(jī)械臂按照主控機(jī)械臂的示教方式運(yùn)行。

作為優(yōu)選，所述主控機(jī)械臂和從動(dòng)機(jī)械臂實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。

作為優(yōu)選，所述主控機(jī)械臂和從動(dòng)機(jī)械臂實(shí)時(shí)同步運(yùn)行方式包括步驟：

步驟一、拖動(dòng)主控機(jī)械臂至a點(diǎn)位置(相對(duì)位置)；

步驟二、從動(dòng)機(jī)械臂同時(shí)移動(dòng)到a點(diǎn)位置；

步驟三、主控機(jī)械臂和從動(dòng)機(jī)械臂實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。

作為優(yōu)選，所述主控機(jī)械臂先進(jìn)行示教，經(jīng)確認(rèn)后，將任務(wù)發(fā)送到從動(dòng)機(jī)械臂，從動(dòng)機(jī)械臂接收到任務(wù)后按照主控機(jī)械臂的示教任務(wù)執(zhí)行。

作為優(yōu)選，所述控制方式包括：

步驟一、將主控機(jī)械臂和從動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)行到零位置，也就是機(jī)械臂原點(diǎn)；

步驟二、將主控機(jī)械臂移動(dòng)到a點(diǎn)位置；

步驟三、確認(rèn)主控機(jī)械臂示教任務(wù)完成，發(fā)送主控機(jī)械臂示教任務(wù)到從動(dòng)機(jī)械臂，從動(dòng)機(jī)械臂接收到任務(wù)后按照主控機(jī)械臂的示教任務(wù)執(zhí)行。

作為優(yōu)選，所述主控機(jī)械臂通過(guò)編程示教或拖動(dòng)模式完成示教。

作為優(yōu)選，整個(gè)示教過(guò)程中，通過(guò)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)主控機(jī)械臂及從動(dòng)機(jī)械臂標(biāo)定及誤差補(bǔ)償。

作為優(yōu)選，所述激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)主控機(jī)械臂及從動(dòng)機(jī)械臂標(biāo)定及誤差補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程包括以下步驟：

步驟一、通過(guò)建立真實(shí)的機(jī)器人d-h坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)的，確定機(jī)器人各根轉(zhuǎn)軸的相互位置；

步驟二、一個(gè)點(diǎn)繞不經(jīng)過(guò)它的直線旋轉(zhuǎn)一周后，在空間內(nèi)形成一個(gè)圓周軌跡，圓周所在的平面與軸線垂直且圓心位于軸線上，令機(jī)器人的某一根軸從零位位置開(kāi)始作步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持其余軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)姿態(tài)時(shí)的法蘭盤(pán)中心點(diǎn)就位于同一條圓弧上，過(guò)該圓弧圓心且與圓弧所在平面垂直的直線方向(或是相反方向)就是轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線方向。

本發(fā)明提供的針對(duì)機(jī)械臂的主從模式示教系統(tǒng)及示教方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

由于本方案提供的針對(duì)機(jī)械臂的主從模式示教方法的主要原理是通過(guò)兩個(gè)相同的機(jī)械臂或具有相同功能的操控裝置，一個(gè)做為示教機(jī)械臂(主控機(jī)械臂)，另一個(gè)做為執(zhí)行工作的機(jī)械臂(從動(dòng)機(jī)械臂)，通過(guò)操作主控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)從動(dòng)機(jī)械臂按照主控機(jī)械臂示教軌跡運(yùn)行。用主控機(jī)械臂進(jìn)行示教，確認(rèn)無(wú)誤后將指令發(fā)送到從動(dòng)機(jī)械臂，從動(dòng)機(jī)械臂執(zhí)行主控機(jī)械臂發(fā)送的指令。也可以主/從機(jī)械臂實(shí)時(shí)同步運(yùn)行，主/從機(jī)械臂實(shí)時(shí)相應(yīng)和實(shí)時(shí)執(zhí)行。所以該方法對(duì)于非重復(fù)性和對(duì)實(shí)時(shí)操作要求較高的工作，可以通過(guò)制定任務(wù)的方式完成，并達(dá)到高精度要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的主控機(jī)械臂與從動(dòng)機(jī)械臂均處于原點(diǎn)時(shí)示教系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的主控機(jī)械臂處于a點(diǎn)、從動(dòng)機(jī)械臂處于原點(diǎn)時(shí)示教系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的主控機(jī)械臂與從動(dòng)機(jī)械臂均處于a點(diǎn)時(shí)示教系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的示教方法流程圖。

其中，1-主控機(jī)械臂；2-從動(dòng)機(jī)械臂。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

裝置實(shí)施例

如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供的針對(duì)機(jī)械臂的主/從模式示教系統(tǒng)包括：主控機(jī)械臂1、從動(dòng)機(jī)械臂2、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。

通過(guò)兩個(gè)相同或具有相同功能的操控裝置，一個(gè)做為主控機(jī)械臂1，另一個(gè)做為從動(dòng)機(jī)械臂2，主控機(jī)械臂1為示教機(jī)械臂，從動(dòng)機(jī)械臂2為最終執(zhí)行的機(jī)械臂。通過(guò)操作主控機(jī)械臂1實(shí)現(xiàn)從動(dòng)機(jī)械臂2按照主控機(jī)械臂1示教方式運(yùn)行，主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2之間絕對(duì)精度的誤差不高于0.1mm，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步周期小于200μs。

實(shí)現(xiàn)以上方法，需要主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2具有實(shí)時(shí)相應(yīng)和雙臂絕對(duì)精度一致性技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)時(shí)性數(shù)據(jù)同步及操作實(shí)時(shí)一致，主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2之間采用時(shí)操作系統(tǒng)rtos、powerlink工業(yè)實(shí)時(shí)通訊協(xié)議和fpga的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)200μs以?xún)?nèi)的主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2數(shù)據(jù)同步循環(huán)周期。

主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2可以實(shí)時(shí)同步運(yùn)行，也可以主控機(jī)械臂1先進(jìn)行示教，從動(dòng)機(jī)械臂2按照主控機(jī)械臂1的示教任務(wù)運(yùn)行。

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(rtos)freertos作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，freertos操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行。freertos內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，cpu總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。中央處理器采用intelatom4核心處理器，主頻達(dá)到1.7g。實(shí)時(shí)通訊采用開(kāi)源powerlink工業(yè)實(shí)時(shí)通訊協(xié)議openpowerlink方案。powerlink和ethercat性能差不多。powerlink的一個(gè)主站帶10個(gè)從站的網(wǎng)絡(luò)，最小的循環(huán)周期為100μs左右，主站和從站都基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，可以在arm、dsp、fpga等帶有以太網(wǎng)接口的芯片上實(shí)現(xiàn)。采用基于freertos的openpowerlink的實(shí)時(shí)通訊方案，循環(huán)周期為200μs。

powerlink協(xié)議主/從控制具體為：將示教機(jī)械臂(主控機(jī)械臂1)作為主控節(jié)點(diǎn)mn，mn應(yīng)周期性地訪問(wèn)受控節(jié)點(diǎn)。單播數(shù)據(jù)從mn發(fā)送到每個(gè)已配置的cn(preq幀)，然后各已配置的cn應(yīng)通過(guò)多播方式向所有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布它的數(shù)據(jù)(pres幀)；將執(zhí)行機(jī)械臂(從動(dòng)機(jī)械臂2)作為受控節(jié)點(diǎn)cn，該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)完全由管理節(jié)點(diǎn)控制，cn節(jié)點(diǎn)只在mn請(qǐng)求時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

為確保主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2精度一致性，采用激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2標(biāo)定及誤差補(bǔ)償，使主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2絕對(duì)定位精度達(dá)到±0.05mm毫米，雙臂之間絕對(duì)精度的誤差達(dá)到0.1mm。

方法實(shí)施例

如圖4所示，本申請(qǐng)?zhí)峁┑囊环N針對(duì)機(jī)械臂的主/從模式示教方法應(yīng)用于以上所述的主/從模式示教系統(tǒng)中。示教系統(tǒng)設(shè)置為通過(guò)兩個(gè)相同或具有相同功能的操控裝置，一個(gè)做為主控機(jī)械臂1，另一個(gè)做為從動(dòng)機(jī)械臂2，主控機(jī)械臂1為示教機(jī)械臂，從動(dòng)機(jī)械臂2為最終執(zhí)行的機(jī)械臂。示教方法為：操作主控機(jī)械臂1按照預(yù)設(shè)方式運(yùn)行，從動(dòng)機(jī)械臂2按照主控機(jī)械臂1的示教方式運(yùn)行。期間確保主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2之間絕對(duì)精度的誤差不高于0.1mm，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步周期小于200μs。

具體示教方式可分為以下兩種方案：

方案一、主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。拖動(dòng)主控機(jī)械臂1至a點(diǎn)位置(相對(duì)位置)，從動(dòng)機(jī)械臂2同時(shí)移動(dòng)到a點(diǎn)位置，主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2實(shí)時(shí)相應(yīng)，確保主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2之間的絕對(duì)精度誤差不高于0.1mm。

方案二、主控機(jī)械臂1先進(jìn)行示教，從動(dòng)機(jī)械臂2按照主控機(jī)械臂1的示教任務(wù)運(yùn)行。主控機(jī)械臂1通過(guò)控制軟件或拖動(dòng)機(jī)械臂完成示教，經(jīng)確認(rèn)后，將任務(wù)發(fā)送到從動(dòng)機(jī)械臂2，從動(dòng)機(jī)械臂2接收到任務(wù)后立即執(zhí)行任務(wù)。具體步驟為：

步驟一、將主控機(jī)械臂1和從動(dòng)機(jī)械臂2運(yùn)行到零位置，也就是機(jī)械臂原點(diǎn)。

步驟二、通過(guò)編程示教或拖動(dòng)模式，將主控機(jī)械臂1移動(dòng)到a點(diǎn)位置。

步驟三、確認(rèn)主控機(jī)械臂1示教任務(wù)完成，發(fā)送主控機(jī)械臂1示教任務(wù)到從動(dòng)機(jī)械臂2，從動(dòng)機(jī)械臂2接收到任務(wù)立即執(zhí)行。

以上示教過(guò)程中，通過(guò)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂標(biāo)定及誤差補(bǔ)償。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂標(biāo)定及誤差補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程包括以下步驟：

步驟一、通過(guò)建立真實(shí)的機(jī)器人d-h坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)的，確定機(jī)器人各根轉(zhuǎn)軸的相互位置。

步驟二、一個(gè)點(diǎn)繞不經(jīng)過(guò)它的直線旋轉(zhuǎn)一周后，在空間內(nèi)形成一個(gè)圓周軌跡，圓周所在的平面與軸線垂直且圓心位于軸線上。令機(jī)器人的某一根軸從零位位置開(kāi)始作步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持其余軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)姿態(tài)時(shí)的法蘭盤(pán)中心點(diǎn)就位于同一條圓弧上，過(guò)該圓弧圓心且與圓弧所在平面垂直的直線方向(或是相反方向)就是轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線方向?？紤]到各種噪聲的混入，采取最小二乘法擬合圓弧及其所在平面。為了減小噪聲的影響，測(cè)量盡可能多的目標(biāo)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，激光束會(huì)遇到機(jī)器人本體的阻擋，在末端關(guān)節(jié)上增加了輔助支架以擴(kuò)大測(cè)量范圍。該支架的引入只會(huì)造成旋轉(zhuǎn)半徑的變化，而不會(huì)影響到軸線位置的確定。支架只要具有一定剛性，并通過(guò)簡(jiǎn)單的螺紋裝配即可，無(wú)其他設(shè)計(jì)和精度上的要。

步驟三、減小了部分軸圓弧半徑顯著增大，擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量過(guò)程中還需要注意兩個(gè)問(wèn)題。第一，軸1會(huì)影響到基坐標(biāo)系原點(diǎn)的確定，作用尤為重要，所以應(yīng)盡量使軸1能夠轉(zhuǎn)動(dòng)出整個(gè)圓周軌跡；解決方法是調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)(而不是相對(duì)于零位位姿)，使軸1可以轉(zhuǎn)動(dòng)±180°。第二，激光跟蹤儀的測(cè)量精度與測(cè)量距離有關(guān)，測(cè)量距離越大則精度越低。所以，在保證一定測(cè)量范圍的同時(shí)應(yīng)盡量減小跟蹤儀與機(jī)器人間的距離。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。