[发明专利]用于机器人重载装配和搬运作业的位姿调整系统

说明书

技术领域

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。

背景技术

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。

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：

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。

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。

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。

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。

“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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。