[发明专利]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

说明书

本发明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‑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的作用。

技术领域

本发明涉及工业机器人控制技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明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。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

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。

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。