一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法，涉及工业机器人控制技术领域，装置包括控制端和执行端，控制端包括平板电脑、控制端机器人控制器、协作机器人、六维力传感器和末端手柄，末端手柄与六维力传感器电性连接，平板电脑用于控制系统参数设置与反馈；执行端包括依次电性连接的执行端机器人控制器、工业机械臂和末端执行器，末端执行器设置于工业机械臂的末端，执行端机器人控制器与控制端机器人控制器电性连接，运行时，由人员在控制端握持末端手柄控制其末端位姿做运动变换，工业机械臂根据协作机器人运动参数做出动作响应，以实现人

【技术实现步骤摘要】
一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人控制
，具体涉及一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法。

技术介绍

[0002]工业机械臂是一种应用于工业生产领域的多关节/多自由度机械设备，其末端位姿的控制是实际生产应用的关键内容。传统的机械臂末端运动控制方案主要有两种：(1)示教控制，即提前使用配套的机械臂示教器控制机械臂沿着特定轨迹运动，期间机械臂控制器以一定的频率对机械臂运动信息(如位姿、速度、加速度等)进行采样，在实际工作时机械臂控制器根据各采样点的相关信息以插值计算的方式控制机械臂运动，复现示教过程的运动轨迹，完成生产任务。(2)离线编程，即提前在机械臂控制器中写入机械臂在作业过程中的相关运动信息(如位姿、速度、加速度等)，在实际工作时控制器控制机械臂按照程序中设定的步骤运动，完成生产任务。上述两种机械臂运动控制方案在实际生产中一般应用于完成重复性生产任务，机械臂工作在全自动模式下，且在生产现场一般以危险源进行管理，使用安全围栏对机械臂进行隔离，在生产中不与人发生直接接触。近年来，一种基于力控柔顺控制的机械臂末端运动控制方案逐渐发展起来，该方案通过在机械臂腕关节处安装六维力传感器，实际工作时人直接手动牵引末端工装，通过该力传感器测量人施加的牵引力，并根据其大小和方向控制机械臂做出运动响应，具体场景见附图4所示。目前一些机器人厂商已经推出了带有力控牵引功能的机器人产品及相关的软件控制包。
[0003]在上述三种机械臂末端运动控制方案中，示教控制和离线编程一般适用于机械臂在隔离空间中自动化地完成重复操作，机械臂的运动无法实现随时调整。然而在航空航天、工程机械、船舶等领域的产品制造中重复工作较少，大量工作需要对机械臂进行随时的灵活控制来完成。力控牵引的方案实现了人机近距离交互作业，可使机械臂在人的控制下运动，但在人机近距离接触状态下由于存在一定的安全隐患，因此一般会对机器人的运行功率、运动速度等做出限制，影响机械臂效能的发挥；其次，机械臂末端在作业过程中的运动范围很大，因此需要人不断移动位置以方便牵引机械臂末端工装，带来作业不便等问题；最后，该方案难以应用于人无法直接进入的环境中，如有毒有害物质处理等。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置及控制方法，以实现人
‑
机在空间分离状态下能直观方便地对工业机械臂末端位姿灵活调整、且保证安全性的作用。
[0005]为解决上述的技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，包括控制端和执行端，其中控制端包括平板电脑、控制端机器人控制器、协作机器人、六维力传感器和末端手柄，末端手柄与六维力传感器电性连接，末端手柄与六维力传感器均设置于协作机器人末端，平板电脑
用于控制系统参数设置与反馈；执行端包括依次电性连接的执行端机器人控制器、工业机械臂和末端执行器，末端执行器设置于工业机械臂的末端，执行端机器人控制器与控制端机器人控制器无线通信连接。
[0007]优选地，控制端机器人控制器包括末端重力补偿模块，末端重力补偿模块用于实现对人员牵引力的准确测量；力位及力速控制模块，力位及力速控制模块用于给出基于人员牵引力大小和方向的协作机器人运动响应方式；运动控制模块A，运动控制模块A用于控制协作机器人的具体运动；位姿解算模块A，位姿解算模块A用于对协作机器人末端位姿变换情况进行实时解算。
[0008]优选地，执行端机器人控制器包括位姿解算模块B，位姿解算模块B用于解算出协作机器人各轴运动控制命令；运动控制模块B，运动控制模块B用于根据位姿解算模块B解算出的协作机器人各轴运动控制命令使工业机械臂做出具体运动响应。
[0009]优选地，执行端机器人控制器还包括安全保护模块，安全保护模块用于对工业机械臂运动及反馈负载进行解算，在工业机械臂可能进入奇点或最大行程时提前发出警告与保护措施，并在检测到过载时进行保护制动。
[0010]优选地，协作机器人为小型六轴机器人。
[0011]一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置的控制方法，包括以下步骤：
[0012]步骤S1：开机通电，对控制端和执行端进行初始化；
[0013]步骤S2：设定协作机器人末端动作与工业机械臂末端之间的映射关系为控制策略因子K，并通过平板电脑设置控制策略因子K的值；
[0014]步骤S3：对协作机器人控制位姿初始化；
[0015]步骤S4：用户以目视方式观察工业机械臂末端的作业执行情况，并在控制端以手握持末端手柄并对其施加牵引力，控制端机器人控制器通过六维力传感器测量末端力，并以末端重力补偿模块对末端力进行处理获得用户的牵引力大小和方向；
[0016]步骤S5：通过力位及力速控制模块、运动控制模块A根据牵引力的大小和方向控制协作机器人对牵引力做出响应；
[0017]步骤S6：通过位姿解算模块A对末端运动位姿进行解算获得末端的实时位姿参数；
[0018]步骤S7：执行端机器人控制器对协作机器人末端位姿进行采样；
[0019]步骤S8：位姿解算模块B根据采样结果及控制策略因子K的值计算获得工业机器人的运动量；
[0020]步骤S9：运动控制模块B根据位姿解算模块B的计算结果控制工业机械臂做出相应的运动响应。
[0021]优选地，在步骤S2中，控制策略因子K的关系式如下：
[0022][0023]式(1)中，为六维力传感器坐标系至工业机械臂底座坐标系的变换矩阵，{S
‑
Cobot}为协作机器人末端在一个采样周期内的运
动量，为工业机械臂的末端坐标系至工业机械臂底座坐标系的变换矩阵，{S
‑
Robot}为工业机械臂末端在一个采样周期内的运动量。
[0024]优选地，在步骤S4中，所述目视方式为视频监控或VR目视。
[0025]本专利技术的有益效果体现在：
[0026]1、本专利技术可通过动作映射的方式将操作人员的控制动作直接在执行端的工业机械臂上按照一定的控制策略进行复现，可实现人机协作状态下按照人的控制意图灵活调整工业机械臂末端操作动作，无需事前的机械臂动作的仿真和调试过程，可适应离散式生产作业中的复杂操作动作要求或机械臂末端位姿的临时调整。
[0027]2、可实现人机空间分离状态下的协同作业，人处于工业机械臂的可达范围以外，因此安全性大大提高，不需对工业机械臂进行专门的由人机近距离交互带来的安全设置。
[0028]3、通过控制策略因子K来表示协作机器人末端动作与工业机械臂末端之间的映射关系，并具体得出控制策略因子K的关系式，和为固定矩阵，可认为是系统的固定特性，和分别为协作机器人和工业机械臂在运动过程中的实时状态矩阵，可实时获得，在增加控制策略因子K后即可获得协作机器人末端与工业机械臂末端在一个采样周期内的运动量的动作映射关系，基于该动作映射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，其特征在于，包括控制端和执行端；其中，所述控制端包括平板电脑、控制端机器人控制器、协作机器人、六维力传感器和末端手柄，所述末端手柄与六维力传感器电性连接，所述末端手柄与六维力传感器均设置于协作机器人末端，所述平板电脑用于控制系统参数设置与反馈；所述执行端包括依次电性连接的执行端机器人控制器、工业机械臂和末端执行器，所述末端执行器设置于工业机械臂的末端，所述执行端机器人控制器与控制端机器人控制器无线通信连接。2.根据权利要求1所述的一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，其特征在于，所述控制端机器人控制器包括：末端重力补偿模块，所述末端重力补偿模块用于实现对人员牵引力的准确测量；力位及力速控制模块，所述力位及力速控制模块用于给出基于人员牵引力大小和方向的协作机器人运动响应方式；运动控制模块A，所述运动控制模块A用于控制所述协作机器人的具体运动；位姿解算模块A，所述位姿解算模块A用于对所述协作机器人末端位姿变换情况进行实时解算。3.根据权利要求2所述的一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，其特征在于，所述执行端机器人控制器包括：位姿解算模块B，所述位姿解算模块B用于解算出所述协作机器人各轴运动控制命令；运动控制模块B，所述运动控制模块B用于根据位姿解算模块B解算出的协作机器人各轴运动控制命令使工业机械臂做出具体运动响应。4.根据权利要求3所述的一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，其特征在于，所述执行端机器人控制器还包括：安全保护模块，所述安全保护模块用于对工业机械臂运动及反馈负载进行解算，在所述工业机械臂可能进入奇点或最大行程时提前发出警告与保护措施，并在检测到过载时进行保护制动。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种基于动作映射的机械臂末端位姿控制装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祥，丁晓，张宇，阮亮，谭清中，钟雅婷，王海波，张维，彭鑫，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：