[发明专利]一种机器人示教编程系统及方法

摘要

本发明涉及一种机器人示教编程系统，包括示教系统、位姿跟踪系统、物理机器人系统以及计算机；示教系统中，手持式示教工具连接示教控制器，示教数据采集器分别连接示教控制器和计算机；位姿跟踪系统中，摄像机组、位姿计算单元以及计算机顺次连接，跟踪标识物固定于手持式示教工具上；物理机器人系统中，物理机器人、物理机器人控制器和计算机顺次连接。本发明还提供一种机器人示教编程方法，通过建立坐标系、交互教示、数据后处理以及物理机器人控制实现示教编程。本发明的优点在于：通过一线工人使用手持式示教工具交互完成示教编程，编程方便且将示教人员的经验和技能体现在程序中，还能够进行增强现实仿真，及时发现机器人与工作场景的干涉。

主权项

1.一种机器人示教编程方法，该方法是基于一机器人示教编程系统实现的，其包括示教系统、位姿跟踪系统、物理机器人系统以及计算机(40)；所述示教系统包括手持式示教工具(11)、示教控制器(12)以及示教数据采集器(13)，所述示教数据采集器(13)用于采集手持式示教工具(11)在被操作部件(50)上操作时的工艺参数，所述手持式示教工具(11)连接示教控制器(12)，所述示教数据采集器(13)分别连接所述示教控制器(12)和计算机(40)；所述位姿跟踪系统包括摄像机组(21)、跟踪标识物(22)以及位姿计算单元(23)，所述摄像机组(21)至少包含两个摄像机，所述摄像机组(21)固定于所述被操作部件(50)的上方，所述摄像机组(21)连接所述位姿计算单元(23)，所述位姿计算单元(23)连接所述计算机(40)，所述跟踪标识物(22)固定于所述手持式示教工具(11)上；物理机器人系统包括用以提供物理机器人坐标系的物理机器人(31)和物理机器人控制器(32)，所述物理机器人(31)连接所述物理机器人控制器(32)，所述物理机器人控制器(32)连接所述计算机(40)，其特征在于:该编程方法具体步骤如下：步骤10、建立坐标系：包括建立位姿跟踪系统坐标系：在所述位姿计算单元(23)上建立所述位姿跟踪系统坐标系，并且使其与物理机器人坐标系重合；所述物理机器人坐标系为所述物理机器人(31)自带固有的；建立手持式示教工具坐标系：将手持式示教工具(11)安装在所述物理机器人(31)上，将跟踪标识物(22)固定在手持式示教工具(11)上，把手持式示教工具(11)的刀位点定义为所述手持式示教工具坐标系的原点，并使所述手持式示教工具(11)在所述物理机器人坐标系下的姿态为(0,0,0)时，使所述手持式示教工具坐标系的坐标轴方向与所述位姿跟踪系统坐标系的坐标轴及坐标轴方向一致；步骤20、交互示教：示教人员(60)手握所述手持式示教工具(11)对被操作部件(50)进行实际操作，所述摄像机组(21)将拍摄到图像传递至位姿计算单元(23)，由位姿计算单元(23)计算跟踪所述跟踪标识物(22)的位姿，得到所述手持式示教工具(11)的实时位置和姿态；所述位姿计算单元(23)将所述手持式示教工具(11)的实时位置和姿态发送至计算机(40)；同时，通过示教数据采集器(13)采集示教控制器(12)上的实时工艺参数，然后发送至计算机(40)；计算机(40)记录所述手持式示教工具(11)的实时位置和姿态以及各时刻对应的实时工艺参数；步骤30、数据后处理：示教完成后，计算机(40)根据实时位置和姿态生成手持式示教工具(11)的路径轨迹点、操作姿态、操作速度，对所述操作路径轨迹点进行筛选编辑，形成路径轨迹；步骤40、物理机器人控制：计算机(40)将所述路径轨迹和工艺参数按照物理机器人编程系统的指令格式生成程序代码，用于控制物理机器人(31)，实现批量生产；所述方法还包括增强现实仿真过程，通过头戴式增强现实显示器(70)和注册标识物(24)实现，具体实现方法如下：执行所述步骤10的同时还执行如下内容：建立机器人仿真模型：在计算机(40)中根据物理机器人(31)的结构和参数建立物理机器人正运动学方程和逆运动学方程，建立与物理机器人(31)对等的虚拟机器人三维模型，并使所述虚拟机器人模型的坐标系与虚拟场景的世界坐标系重合；建立头戴式增强现实显示器坐标系：将所述注册标识物(24)固定在所述头戴式增强现实显示器(70)上，将两眼中间的位置定义为所述头戴式增强现实显示器坐标系的原点，所述头戴式增强现实显示器姿态为(0,0,0)时，该头戴式增强现实显示器坐标系的坐标轴方向与所述物理机器人坐标系的坐标轴方向相同；执行所述步骤20；执行所述步骤30；执行步骤31、路径轨迹及工艺过程的增强现实仿真：计算机(40)依次根据所述路径轨迹上各轨迹点的位置和姿态，利用所述逆运动学方程计算物理机器人(31)各关节的旋转角度，使用所述各关节旋转角度驱动所述虚拟机器人模型的各关节运动，在虚拟场景中模拟物理机器人(31)的工作过程；在此过程中，示教人员(60)戴上头戴式增强现实显示器(70)，所述摄像机组(21)将拍摄到包含所述头戴式增强现实显示器(70)的图片发送至所述位姿计算单元(23)，所述位姿计算单元(23)跟踪所述头戴式增强现实显示器(70)上的注册标识物(24)，计算头部位姿；计算机(40)将该头部位姿作为虚拟视点生成虚拟机器人模拟工作的显示场景，并发送到头戴式增强现实显示器(70)上显示，从而使示教人员(60)看到一个虚实融合的场景，示教人员(60)可以在不同的方位观察虚拟机器人是否与真实场景存在干涉，检查物理机器人(31)操作过程是否满足要求；执行步骤32、工艺路径编辑：若所述路径轨迹或工艺参数不满足要求，在计算机(40)中交互调整所述路径轨迹上的轨迹点和该轨迹点对应的操作工艺参数，直至满足要求为止，生成仿真编辑后的路径轨迹和工艺参数；执行步骤33、仿真后的物理机器人控制：计算机(40)将所述仿真编辑后的路径轨迹和工艺参数按照物理机器人编程系统的指令格式生成程序代码，用于控制物理机器人(31)，实现批量生产；结束。