用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统

1.一种用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统，其特征在于：包括数个可直接安放于被操纵工件表面的不同位置的手动操纵器和一个控制器；所述的手动操纵器，通过有线电缆或者无线发送模块与控制器相连；所述的控制器，是一个嵌入式计算机系统，接收手动操纵器发出的信息，其计算机程序对传感器信息进行处理和运算，生成手动控制指令，通过网络接口发送到机器人控制器，控制机器人实现相应的动作；所述的手动操纵器包括表面吸附装置、操纵手柄、三维力传感器、方位指示器、传感器信号处理模块，其中：
所述的表面吸附装置，可用不同方式将操纵器固定于工件表面，其中，对于钢铁制工件，采用磁力吸盘吸附；对于表面光洁的工件，采用真空吸盘吸附；对于除钢铁或表面光洁的材质外的工件，采用双面胶固定；
所述的操纵手柄，固定于吸附装置所构成的基底之上，由参与配合装配的人握持，并施加一定的操纵力，经力传感器转变为操纵信号，该操纵信号送往控制器，用以控制机器人动作，从而对工件进行位姿调整；
所述的三维力传感器，安装于操纵手柄根部，检测手柄所受的操纵力在各个方向的分力，从而获得操纵力的大小和方向；
所述的方位指示器，安装于操纵器外壳上，由两个电位器指示旋钮构成，由操作者拨动旋转旋钮，设定该手动操纵器相对于机器人工具坐标的位置，其中一个旋钮指向机器人工具坐标的中心，用来指示手动操纵器与机器人工具坐标中心的相对方位；另一个旋钮指向表盘上相应的刻度，用来指示手动操纵器与机器人工具坐标中心的距离；
所述的传感器信号处理模块，是一个单片机系统，包括微处理器，A/D转换子模块和通信子模块，其中所述的A/D转换子模块用于读取三维力传感器和两组指示旋钮电位计的信号，将之转换为数字量，其中所述的通信子模块用于和控制器之间的通信，将数字信号传送至控制器，采用无线收发模块或者采用有线电缆连接的方式。
2.一种控制器的信息处理和运算方法，用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统，其特征在于：由控制器对手动操纵器信号进行处理和计算，产生相关的机器人运动指令，通过机器人控制器控制机器人运动，实现操作者的意图，其中，所述方法包括如下步骤：
步骤一、控制器从手动操纵器获得相关的信息，包括力信号和位置信号，所述力信号由三维力传感器获得；所述位置信号由操作者通过方位指示器设定，通过电位器指示旋钮获得；
步骤二、控制器根据力学公式将作用在手动操纵器上的力变换为等效作用在工具坐标原点的力和力矩，然后控制机器人在工具坐标下沿力的方向平移，绕力矩方向转动，平移和转动的速度正比于力和力矩的大小；
步骤三、运动控制指令由控制器通过通信接口发往机器人控制器，由机器人控制器具体驱动机器人运动，控制作用等效于在工件处于静平衡的状态下，在手动操纵器固定点上施加了一个力，使得整个工件在该力的作用下运动，当有多个手动操纵器同时工作时，则多个控制力在不同位置同时作用，工件的运动是多个控制力作用的叠加。

用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种工业机器人技术领域的装置，具体是一种用于非结构环境中机器人重载装配/搬运作业的手动操纵装置。\n背景技术\n[0002] 机器人(或者其他类似机械设备，下文均以机器人指代)在非结构环境下实现对工件的搬运或者装配动作时，往往需要对工件的位置和姿态进行调整。这里所谓非结构环境是指机器人工作环境具有不确定性，无法通过事先编程自动实现准确定位，例如被装配体相对于机器人的位置无法测量和定位。这种情况下使用机器人的目的通常是因为工件重量和体积较大，人力难以完成装配动作，例如大块玻璃的安装。\n[0003] 这种应用模式下机器人实际工作于手动操纵模式。现有的工业机器人通常采用操纵器(也称为示教器)的方式实现对机器人的手动操纵，即操作者手持一个操纵器，通过操纵器上的几组按钮控制机器人各关节独立运动或者沿坐标方向运动。也有些操纵器使用多维操纵杆来控制机器人的运动，例如KUKA工业机器人。但是这种方法并不适合上述重载装配和搬运作业：\n[0004] 1、对于按钮式的操纵器，只能实现机器人各关节独立运动，或者沿预定义坐标系的坐标轴平行方向移动以及绕坐标轴转动，不能实现任意方向的平移和转动。\n[0005] 2、对于多维操纵杆，难以实现机器人的精细动作。对于大型工件，一个小角度转动就会造成边缘较大的位移，操纵杆调节精度不够。而且大型工件在安装中往往需要在某些关键接触部位做局部调整，操纵者难以判断工件整体应该做什么样的姿态调整才能满足需要。\n[0006] 3、大型工件通常由多人配合完成装配，需要在不同部位抵近观察，局部调整。由一个操纵器进行控制时，操纵者只有一人，其他人通过语言交流，在口头表述时不甚方便，也容易有歧义，会增加误操作的风险。\n[0007] 4、使用这些操纵器来操纵机器人都不直观：操纵器和机器人是分离的，操纵者需要换算自身站位与机器人方位的关系，这不仅效率较低，也容易产生误操作，可能造成严重后果。机器人操作者都需要经过较长时间的专业培训才能上岗。\n[0008] “手把手”式的示教是一种更为直接的控制方式，即机器人末端装一个手柄，上面有六维力传感器，可以感受人推拉手柄操纵力的大小和方向，根据力的大小和方向来控制机器人跟随人手运动，比按钮式和多维操纵杆更方便。但是对于大型工件来说，同样存在以上2、3点所述的缺陷。\n发明内容\n[0009] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于机器人重载装配的位姿调整系统，可以使多名操纵者很方便地实现对大型工件的位置和姿态进行调整，完成装配作业。\n[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的：所述的位姿调整系统，包括数个手动操纵器和一个控制器。\n[0011] 所述的手动操纵器可安放于被装配的工件表面，具体数量视装配作业的复杂程度以及参与配合装配的人数而定。手动操纵器包括表面吸附装置、操纵手柄、三维力传感器、方位指示器、传感器信号处理模块。\n[0012] 所述的表面吸附装置，用于将操纵器固定于工件表面。对于钢铁制工件，可以采用磁力吸盘吸附；对于玻璃等表面光洁的工件，可采用真空吸盘吸附；对于其他材质，可采用双面胶等多种方式固定。吸附装置作为操纵器的基底，采用法兰和螺钉等方式与其他部分相连接。\n[0013] 所述的操纵手柄，固定于吸附装置所构成的基底之上，由参与配合装配的人握持，并施加一定的操纵力，经力传感器转变为操纵信号。该操纵信号送往控制器，可控制机器人动作，从而对工件进行位姿调整。\n[0014] 所述的三维力传感器，安装于操纵手柄根部，可以检测手柄所受的操纵力在各个方向的分力，从而获得操纵力的大小和方向。\n[0015] 所述的方位指示器，安装于操纵器外壳上，由两个电位器指示旋钮构成。由操作者拨动旋转旋钮，设定手动操纵器相对于机器人工具坐标的位置。其中一个旋钮指向机器人工具坐标的中心，用来指示操纵器与机器人工具坐标中心的相对方位；另一个旋钮指向表盘上相应的刻度，用来指示操纵器与机器人工具坐标中心的距离。\n[0016] 所述的传感器信号处理模块，是一个单片机系统，包括微处理器，A/D转换子模块和通信子模块。其中A/D转换子模块用于读取三维力传感器和两组指针电位计的信号，将之转换为数字量。其中通信子模块用于和控制器之间的通信，将数字信号传送至控制器。具体可采用无线收发模块，也可采用有线电缆连接的方式。\n[0017] 所述的控制器，是一个嵌入式计算机系统，通过串行接口接收手动操纵器发出的信息，具体可采用无线收发模块，也可采用有线电缆连接的方式。计算机程序对传感器信息进行处理和运算，生成手动控制信号，通过网络接口发送到机器人控制器，控制机器人实现相应的动作。\n[0018] 本发明的关键在于控制器对手动操纵器信号的处理和计算，产生相关的机器人运动指令控制机器人运动，准确反应出操作者的意图。\n[0019] 所述的控制器的信息处理和运算过程如下：\n[0020] 控制器从手动操纵器获得的信息包括：力信号和位置信号，力信号即操作者施加在操纵手柄上的力的大小和方向，由三维力传感器获得；位置信号即手动操纵器相对于机器人工具坐标的位置，由操作者通过方位指示器设定，通过电位器指示旋钮获得。控制器根据力学公式将作用在手动操纵器上的力等效变换为作用在工具坐标原点的力和力矩，然后控制机器人在工具坐标下沿力的方向平移，绕力矩方向转动。平移和转动的速度正比于力和力矩的大小。运动控制指令由控制器通过通信接口发往机器人控制器，由机器人控制器具体驱动机器人运动。控制作用等效于在工件处于静平衡的状态下，在手动操纵器固定点上施加了一个力，使得整个工件在该力的作用下运动。当有多个手动操纵器同时工作时，则多个控制力在不同位置同时作用，工件的运动是多个控制力作用的叠加。\n[0021] 其使用效果类似于在失重状态下由操作者手动推拉工件，调整其位置和姿态。不同的是操作者感受不到工件的惯性，而感觉到的是阻尼，因为是速度正比于作用力大小，而非加速度正比于作用力。阻尼大小取决于程序设定的阻尼系数。\n[0022] 本发明的优点在于：(1)可以用最直观的方式实现对机器人末端抓取工件的六个自由度运动控制，完成对机器人的手动操作。(2)可以由多个操作者配合完成大型重型工件的位置姿态调整，每个操作者关注一处关键配合部位，直接操纵工件运动，大大提高作业效率。(3)使用简单，无需培训即可进行机器人操作。\n附图说明\n[0023] 图1为操纵系统原理示意图。\n[0024] 图2为操纵器结构示意图。\n[0025] 图3为控制器结构示意图。\n[0026] 图4为坐标变换关系示意图。\n具体实施方式\n[0027] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。\n[0028] 如图1-图3所示，本实施例是通过以下技术方案实现的：\n[0029] 本实施例中，机器人1通过工具2实现对大型工件3的搬运装配作业，操作者将手动操纵器4固定于工件3表面，通过直接推拉手动操纵器4的手柄来操纵机器人运动，以调整工件位置和姿态。手动操纵器4通过无线收发模块与其控制器5通信，向控制器5发送传感器信号。控制器5通过运算，产生运动控制指令，通过网络接口发送到机器人控制器，由机器人控制器具体控制机器人运动。\n[0030] 所述的位姿调整系统，包括手动操纵器4和控制器5。其中手动操纵器4的数量可以有多个，具体数量视装配作业的复杂程度以及参与配合装配的人数而定。控制器5数量为一个，通过网络接口与机器人1的控制器相连接。\n[0031] 所述的手动操纵器4可安放于被装配的工件3表面，包括表面吸附装置6、操纵手柄11、三维力传感器10、方位指示器13、传感器信号处理模块12、电池模块8等。\n[0032] 所述的表面吸附装置6，用于将操纵器固定于工件表面。此实施例中采用手动真空吸盘，包括橡胶皮碗及其阀门开关7。操作者将表面吸附装置6按压在工件3表面，挤出皮碗内的空气即可依靠大气压力将表面吸附装置6固定在工件3的表面。打开阀门开关7，向皮碗内释放空气即可消除气压差，放松表面吸附装置6。表面吸附装置6作为操纵器的基底，采用法兰和螺钉方式与其他部分相连接。\n[0033] 所述的操纵手柄11，固定于表面吸附装置6所构成的基底之上，由参与配合装配的人握持，并施加一定的操纵力，经力传感器转变为操纵信号。该操纵信号送往控制器，可控制机器人动作，从而对工件进行位姿调整。\n[0034] 所述的三维力传感器10，安装于操纵手柄根部，可以检测手柄所受的操纵力在各个方向的分力，从而获得操纵力的大小和方向。\n[0035] 所述的方位指示器13，安装于操纵器外壳9上，采用的是电位器指示旋钮，数量为两个。由操作者拨动旋转旋钮，设定手动操纵器4相对于机器人工具2的位置。其中一个旋钮指向机器人工具坐标的中心，用来指示操纵器与机器人工具坐标中心的相对方位；另一个旋钮指向表盘上相应的刻度，用来指示操纵器与机器人工具坐标中心的距离。\n[0036] 所述的传感器信号处理模块12，是一个单片机系统，包括微处理器、串行通信接口和A/D转换接口等。传感器信号处理模块12通过其串行通信接口与无线收发模块14相连。\n通过A/D转换接口读取三维力传感器10和方位指示器13的传感器信号，将之转换为数字量。其中无线收发模块用于和控制器之间的数字通信，通过天线15将数字信号传送至控制器。\n[0037] 所述的控制器5，是一个嵌入式计算机系统，具体结构如图3所示。通过无线通信模块接收手动操纵器4发出的信息。计算机程序对传感器信息进行处理和运算，生成手动控制信号，通过网络接口发送到机器人控制器，控制机器人实现相应的动作。\n[0038] 所述的控制器5的信息处理和运算过程如下：\n[0039] 控制器从手动操纵器获得的信息包括：力信号和位置信号，力信号即操作者施加在操纵手柄11上的力的大小和方向，由三维力传感器10获得；位置信号即手动操纵器4相对于机器人工具2的位置，由操作者通过方位指示器13设定，通过电位器指示旋钮获得。如图4所示，控制器计算机根据力学公式：\n[0040] \n[0041] 将作用在手动操纵器4上的力等效变换为作用在工具坐标原点的力和力矩，然后控制机器人在工具坐标下沿力的方向平移，绕力矩方向转动。平移和转动的速度正比于力和力矩的大小。运动控制指令由控制器5通过网络接口发往机器人控制器，由机器人控制器具体驱动机器人运动。控制作用等效于在工件处于静平衡的状态下，在手动操纵器固定点上施加了一个力，使得整个工件在该力的作用下运动。当有多个手动操纵器同时工作时，则多个控制力在不同位置同时作用，工件的运动是多个控制力作用的叠加。\n[0042] 其使用效果类似于在失重状态下由操作者直接手动推拉工件，调整其位置和姿态。不同的是操作者感受不到工件的惯性，而感觉到的是阻尼，因为是速度正比于作用力大小，而非加速度正比于作用力。阻尼大小取决于程序设定的阻尼系数。\n[0043] 本实施例的操作过程如下：\n[0044] (1)首先使用机器人本身的操纵器(示教器)按照传统方式操纵机器人1，将工件\n3搬运到目标位置附近，同时粗略调整其姿态。\n[0045] (2)配合装配的操作者(可以多人)将手动操纵器4吸附固定在工具表面，固定面应该与机器人工具坐标的X-Y平面平行，手动操纵器4的坐标方向应与机器人工具坐标一致，如图4所示。实际上由于机器人的工具坐标系是可以任意设定的，可以求将工具坐标的X-Y平面设定在固定手动操作器的工件表面，因此这一要求不难满足。例如在安装大型平板玻璃时，工具坐标系设定在玻璃平面上，手动操纵器也吸附固定在玻璃平面上即可。\n[0046] (3)操作者设定方位指示器，将代表方位的旋钮指针指向工具坐标系原点，将代表距离的旋钮旋到相应的刻度。该距离目测估计即可。\n[0047] (4)推拉手动操纵器的手柄11，根据需要调整工件的位置姿态。此时机器人处于外部控制模式，由控制器5发出控制指令控制其运动。\n[0048] 采用本发明的手动操纵器及其控制方法，操纵者无需专门培训即可掌握手动操纵机器人运动的方法。操纵过程简单直观，可以实现多人配合完成大型工件的搬运和装配，每个人负责一处关键部位的位置姿态，大大提高装配的效率和安全性。