一种三维力传感器的机器人示教系统及示教方法技术方案

本发明专利技术属于机器人技术领域，公开了一种三维力传感器的机器人示教系统及示教方法，利用三维力传感器采集三维空间方向的三个力信息数据；根据采集的数据进行校正，校正完成后，根据采集的数据构建三维力坐标体系；根据采集的数据在坐标体系中，构建三维力变化曲线图，对三维力进行仿真操作；利用语音播放器进行三维力示教语音播放操作，并且利用显示器显示采集的三维力数据、三维力坐标体系、三维力曲线图等数据。本发明专利技术建立三维力传感器器件结构的线性弹性力学基本边值问题矩阵形式；采用四面体网格剖分求解域；可以快速的构建高阶基函数，且获得高精度的数值仿真计算结果。

A Robot Teaching System and Method for Three-Dimensional Force Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种三维力传感器的机器人示教系统及示教方法
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种三维力传感器的机器人示教系统及示教方法。
技术介绍
三维力传感器能同时检测三维空间的三个力信息(Fx、Fy、Fz)，通过它控制系统不但能检测和控制机器人手爪取物体的握力，而且还可以检测抓物体的重量，以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等。三维指力传感器有侧装和顶装式两种，侧装式三维力指力传感器一般用于二指的机器人夹持器，顶装式三维指力传感器一般用于机器人多指灵巧手。然而，现有三维力传感器的机器人示教过程，对三维力采集数据偏差大，仿真模拟精度差。同时现有的三维力传感器的机器人示教系统中力传感器，易受到温度的影响，降低了数据监测的精确度；现有的三维力传感器的机器人示教系统中根据采集的数据绘制图像时，采用静态方法进行绘制，降低了绘制的图线的精确性，从而降低了示教系统效果。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有三维力传感器的机器人示教过程，对三维力采集数据偏差大，仿真模拟精度差。(2)现有的三维力传感器的机器人示教系统中力传感器，易受到温度的影响，降低了数据监测的精确度。(3)现有的三维力传感器的机器人示教系统中根据采集的数据绘制图像时，采用静态方法进行绘制，降低了绘制的图线的精确性，从而降低了示教系统效果。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种三维力传感器的机器人示教系统及示教方法。本专利技术是这样实现的，一种三维力传感器的机器人示教系统示教方法包括：步骤一，利用三维力传感器采集三维空间方向的三个力信息数据；将三个力信息数据转变为电信号进行光谱分析，选择满足检测波长范围的红外光电传感器；根据传感器的输出电压信号与红外线照射强度的变化关系，把非合理范围内产生的三个力信息数据转变为异常电信号，并进行异常电信号的分析处理；对异常信号分析处理是指对光电和信息进行同步采集，由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理；在进行信号的传输过程中须采取隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号进行模数转换后，传入计算机进行分析；计算得到三个力信息数据值是指首先通过对光电信号的分析处理，三个力信息数据值超过提前预设的阈门值，开始对三维力传感器检测到的信号进行分析；存储到flashROM单元，并被IBM兼容型计算机所读取；步骤二，根据采集的数据进行校正，校正完成后，根据采集的数据构建三维力坐标体系；为三维力传感器的机器人进行供电，并启动，获取无输入或者低输入三维力A1时，三维力传感器的实际输出电压B1，作为低压校正参数；获取高输入三维力A2时，三维力传感器的实际输出电压B2，作为高压校正参数；根据低压校正参数和高压校正参数，得到修正后的输入输出方程：y＝(B2-B1)x/(A2-A1)+B1；读取三维力传感器的输出电压值，并根据修正后的输入输出方程，对实际的输入压力值进行校正；步骤三，根据采集的数据在坐标体系中，构建三维力变化曲线图，对三维力进行仿真操作；将三维力传感器器件结构进行建模，引入位移边界条件或者应力边界条件建立对应的几何结构模型；建立三维力传感器器件结构的线性弹性力学基本边值问题矩阵形式；采用四面体网格剖分求解域；选择标量叠层基函数，将位移在所有网格内用标量叠层基函数展开，并运用标准变分原理得到三维力传感器器件结构的有限元方程；引入结构的惯性力，得到结构的自由振动有限元广义本征方程；求所获得的本征方程，获得特征值λ和对应的特征向量即振幅向量；对获得的特征值和对应特征向量进行后处理获得振动模态频率和对应振动振型；步骤四，利用语音播放器进行三维力示教语音播放操作，并且利用显示器显示采集的三维力数据、三维力坐标体系、三维力曲线图数据。进一步，所述对异常信号分析处理中对采集卡采集到的光电信号进行滤波,并对振动信号进行频谱分析为硬点的判别提供依据，对串口输入的GPS定位信息进行解析，提取定位提供的数据，采集卡输出经传感器转换后的电压信号中夹杂很多干扰信号，只有通过滤波、时域分析、频域分析、整理、计算才能用于对异常信息的分析及大小的测量，在消除干扰的选择上，通过模拟滤波器对信号实现频率滤波，通过软件的方法消除影响，通过一定的计算或者判断程序减少干扰在信号中的比率，对采集到的信号进行低通滤波，滤掉信号中的高频干扰成分；采用具有统计特性的功率谱密度进行谱分析异常信号中的频域结构，信号x(t)的平均功率ψx用均方值表示，即：x(t)的傅里叶变换公式：则：令：则：Sx(f)就是功率谱密度函数。进一步，获取实际输出电压后，需要对该实际输出电压进行有效性判断，将实际输出电压与当前输入三维力时的标定电压进行比较，若差值不大于阈值，则判定实际输出电压有效，将该实际输出电压作为低压校正参数或高压校正参数进行保存。进一步，所述的阈值设定为最大标定电压的3％～4％。进一步，所述若实际输出电压与当前输入压力时的标定电压'进行比较的差值大于阈值，则判定为三维力传感器的硬件故障，退出校正。本专利技术的另一目的在于提供一种三维力传感器的机器人示教系统，包括：三维力采集模块，与主控模块连接，用于通过三维力传感器采集三维空间方向的三个力信息数据；主控模块，与三维力采集模块、校正模块、力坐标构建模块、力曲线绘制模块、仿真模块、语音模块、显示模块连接，用于通过嵌入式单片机控制各个模块正常工作；校正模块，与主控模块连接，用于通过校正程序对采集的三维力数据进行校正；力坐标构建模块，与主控模块连接，用于通过坐标程序构建三维力坐标体系；力曲线绘制模块，与主控模块连接，用于通过曲线绘制程序构建三维力变化曲线图；仿真模块，与主控模块连接，用于通过仿真程序对三维力进行仿真操作；语音模块，与主控模块连接，用于通过语音播放器进行三维力示教语音播放操作；显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示采集的三维力数据、三维力坐标体系、三维力曲线图。本专利技术的另一目的在于提供一种三维力传感器的机器人示教系统示教程序，应用于计算机，所述三维力传感器的机器人示教系统示教程序实现所述的三维力传感器的机器人示教系统示教方法。本专利技术的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载实现所述三维力传感器的机器人示教系统示教方法的控制器。本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的三维力传感器的机器人示教系统示教方法。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述的三维力传感器的机器人示教系统示教方法的三维机器人抓取设备。本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术通过校正模块对采集三维力数据进行校正、灵活性强，动态补偿个体差异性；同时，通过仿真模块将三维力传感器器件结构进行建模，引入位移边界条件或者应力边界条件建立对应的几何结构模型；建立三维力传感器器件结构的线性弹性力学基本边值问题矩阵形式；采用四面体网格剖分求解域；选择标量叠层基函数，将位移在所有网格内用标量叠层基函数展开，并运用标准变分原理得到三维力传感器器件结构的有限元方程；引入结构的惯性力，得到结构的自由振动有限元广义本征方程；可以快速的构建高阶基函数，且获得高精度的数值仿真计算结果。本专利技术中力曲线绘制模块中采用动态数据图像绘制方法进行图像的绘制，使绘本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维力传感器的机器人示教系统示教方法，其特征在于，所述三维力传感器的机器人示教系统示教方法包括：步骤一，利用三维力传感器采集三维空间方向的三个力信息数据；将三个力信息数据转变为电信号进行光谱分析，选择满足检测波长范围的红外光电传感器；根据传感器的输出电压信号与红外线照射强度的变化关系，把非合理范围内产生的三个力信息数据转变为异常电信号，并进行异常电信号的分析处理；对异常信号分析处理是指对光电和信息进行同步采集，由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理；在进行信号的传输过程中须采取隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号进行模数转换后，传入计算机进行分析；计算得到三个力信息数据值是指首先通过对光电信号的分析处理，三个力信息数据值超过提前预设的阈门值，开始对三维力传感器检测到的信号进行分析；存储到flashROM单元，并被IBM兼容型计算机所读取；步骤二，根据采集的数据进行校正，校正完成后，根据采集的数据构建三维力坐标体系；为三维力传感器的机器人进行供电，并启动，获取无输入或者低输入三维力A1时，三维力传感器的实际输出电压B1，作为低压校正参数；获取高输入三维力A2时，三维力传感器的实际输出电压B2，作为高压校正参数；根据低压校正参数和高压校正参数，得到修正后的输入输出方程：y＝(B2‑B1)x/(A2‑A1)+B1；读取三维力传感器的输出电压值，并根据修正后的输入输出方程，对实际的输入压力值进行校正；步骤三，根据采集的数据在坐标体系中，构建三维力变化曲线图，对三维力进行仿真操作；将三维力传感器器件结构进行建模，引入位移边界条件或者应力边界条件建立对应的几何结构模型；建立三维力传感器器件结构的线性弹性力学基本边值问题矩阵形式；采用四面体网格剖分求解域；选择标量叠层基函数，将位移在所有网格内用标量叠层基函数展开，并运用标准变分原理得到三维力传感器器件结构的有限元方程；引入结构的惯性力，得到结构的自由振动有限元广义本征方程；求所获得的本征方程，获得特征值λ和对应的特征向量即振幅向量；对获得的特征值和对应特征向量进行后处理获得振动模态频率和对应振动振型；步骤四，利用语音播放器进行三维力示教语音播放操作，并且利用显示器显示采集的三维力数据、三维力坐标体系、三维力曲线图数据。...

【技术特征摘要】
1.一种三维力传感器的机器人示教系统示教方法，其特征在于，所述三维力传感器的机器人示教系统示教方法包括：步骤一，利用三维力传感器采集三维空间方向的三个力信息数据；将三个力信息数据转变为电信号进行光谱分析，选择满足检测波长范围的红外光电传感器；根据传感器的输出电压信号与红外线照射强度的变化关系，把非合理范围内产生的三个力信息数据转变为异常电信号，并进行异常电信号的分析处理；对异常信号分析处理是指对光电和信息进行同步采集，由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理；在进行信号的传输过程中须采取隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号进行模数转换后，传入计算机进行分析；计算得到三个力信息数据值是指首先通过对光电信号的分析处理，三个力信息数据值超过提前预设的阈门值，开始对三维力传感器检测到的信号进行分析；存储到flashROM单元，并被IBM兼容型计算机所读取；步骤二，根据采集的数据进行校正，校正完成后，根据采集的数据构建三维力坐标体系；为三维力传感器的机器人进行供电，并启动，获取无输入或者低输入三维力A1时，三维力传感器的实际输出电压B1，作为低压校正参数；获取高输入三维力A2时，三维力传感器的实际输出电压B2，作为高压校正参数；根据低压校正参数和高压校正参数，得到修正后的输入输出方程：y＝(B2-B1)x/(A2-A1)+B1；读取三维力传感器的输出电压值，并根据修正后的输入输出方程，对实际的输入压力值进行校正；步骤三，根据采集的数据在坐标体系中，构建三维力变化曲线图，对三维力进行仿真操作；将三维力传感器器件结构进行建模，引入位移边界条件或者应力边界条件建立对应的几何结构模型；建立三维力传感器器件结构的线性弹性力学基本边值问题矩阵形式；采用四面体网格剖分求解域；选择标量叠层基函数，将位移在所有网格内用标量叠层基函数展开，并运用标准变分原理得到三维力传感器器件结构的有限元方程；引入结构的惯性力，得到结构的自由振动有限元广义本征方程；求所获得的本征方程，获得特征值λ和对应的特征向量即振幅向量；对获得的特征值和对应特征向量进行后处理获得振动模态频率和对应振动振型；步骤四，利用语音播放器进行三维力示教语音播放操作，并且利用显示器显示采集的三维力数据、三维力坐标体系、三维力曲线图数据。2.如权利要求1所述三维力传感器的机器人示教系统示教方法，其特征在于，所述对异常信号分析处理中对采集卡采集到的光电信号进行滤波,并对振动信号进行频谱分析为硬点的判别提供依据，对串口输入的GPS定位信息进行解析，提取定位提供的数据，采集卡输出经传感器转换后的电压信号中夹杂很多干扰信号，只有通过滤波、时域分析、...

【专利技术属性】
技术研发人员：马耀锋，李红丽，潘会强，雷钢，徐月，卢博，
申请(专利权)人：郑州工程技术学院，
类型：发明
国别省市：河南,41