本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種體感示教終端及示教方法。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人行業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的類型也不斷豐富，其應(yīng)用場合也越來越廣泛，其使用者已不局限于專業(yè)的工程師或技術(shù)人員，而是逐漸走向了大眾化。示教器作為機(jī)器人的控制終端，其操作性能直接影響到用戶體驗(yàn)和示教編程的效率。傳統(tǒng)示教器通過操作方向按鈕或者操縱桿對機(jī)器人進(jìn)行示教，為了實(shí)現(xiàn)精確示教，對示教者的操作技能要求極高。此外，傳統(tǒng)示教器多采用側(cè)握或正面雙手握持，通常將程序編輯等功能全部集成至示教器本體上，配有大量按鍵和各種功能開關(guān)，并通過大尺寸的lcd顯示人機(jī)界面，從而增加了示教器的體積和重量，操作復(fù)雜且持握不夠舒適，示教效率很低，對操作者的各項(xiàng)素質(zhì)要求較高?，F(xiàn)場示教過程中操作者一般需要同時(shí)觀察示教器和機(jī)器人本體的運(yùn)行狀態(tài)，這種示教方式對操作者的精力消耗極大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種新型機(jī)器人體感手持示教終端，基于體感與帶按鍵搖桿的直觀示教方案，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的示教器操作復(fù)雜，體型笨重，操作過程交互性差，對操作者技能要求高等技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種體感示教終端，包括cpu，所述體感示教終端還包括與所述cpu連接的體感檢測單元、搖桿、顯示屏、鍵盤和通信單元，所述體感檢測單元用于檢測體感示教終端的空間姿態(tài)和姿態(tài)變化量，所述搖桿用于操作用戶界面和確定示教運(yùn)動(dòng)方向和/或速度，根據(jù)體感示教終端的空間姿態(tài)和姿態(tài)變化量以及確定的示教運(yùn)動(dòng)方向和/或速度進(jìn)行示教運(yùn)動(dòng)控制，所述顯示屏用于用戶界面顯示，所述鍵盤用于用戶交互操作，所述通信單元用于與上位機(jī)器人控制系統(tǒng)通信和功能擴(kuò)展。體感檢測單元可采用成熟的集成imu(慣性測量單元)，可以結(jié)算體感示教終端的空間姿態(tài)和姿態(tài)變化量，以此確定示教終端在空間中的姿態(tài)方位傾角等，cpu通過通信單元將體感檢測單元獲取的位姿數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)器人控制系統(tǒng)，上位機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)所得位姿數(shù)據(jù)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。顯示屏可采用小型液晶顯示屏，通過可定制的圖標(biāo)指示體感示教終端所處的示教模式及位置速度狀態(tài)等，并能夠顯示報(bào)警和錯(cuò)誤信息。鍵盤可采用設(shè)置少量必要功能按鍵的小鍵盤用于操作用戶界面，例如示教時(shí)選擇要移動(dòng)的關(guān)節(jié)，結(jié)合所述搖桿對機(jī)器人進(jìn)行單關(guān)節(jié)控制，并且能夠根據(jù)用戶需要自行定義其功能等。

進(jìn)一步的，所述體感檢測單元包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)中的至少一種。體感檢測單元可采用現(xiàn)有的imu(慣性測量單元)，包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等，可采用集成或分立元件，例如采用集成6d(六維/軸)imu和3d(三維/軸)磁力計(jì)組合的方式，6dimu主要由3維/軸加速度計(jì)和3維/軸陀螺儀構(gòu)成，用于檢測自身在三維空間的角速度和加速度，以此確定體感示教終端在空間中的傾角；3維/軸磁力計(jì)通過測量與地磁場線的夾角，來確定體感示教終端的方位，以輔助6dimu確定示教終端在空間中的姿態(tài)。

進(jìn)一步的，所述搖桿為帶按鍵功能的2軸搖桿。通過采用便于拇指等操作的搖桿可方便的操作用戶界面，例如切換示教模式、確認(rèn)選項(xiàng)等，示教運(yùn)動(dòng)時(shí)也非常方便控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)或末端運(yùn)動(dòng)方向(趨勢)。搖桿還可以檢測推動(dòng)力度，并將所檢測數(shù)據(jù)通過所述cpu發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)搖桿推動(dòng)力度控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速率，使得示教運(yùn)動(dòng)控制自如靈活。所述搖桿可用于切換示教模式，并能控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)或末端運(yùn)動(dòng)趨勢。所述搖桿還能夠檢測搖桿推動(dòng)力度，并將所檢測數(shù)據(jù)通過所述cpu發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)搖桿推動(dòng)力度控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速率

進(jìn)一步的，所述體感示教終端還包括與所述cpu相連的去抖單元，用于消除握持體感示教終端手部的抖動(dòng)。可以采用多種方式實(shí)施去抖單元，例如通過低通濾波模塊及通過所述cpu執(zhí)行的去抖軟件處理程序組成，所述低通濾波模塊用于消除按下按鍵時(shí)產(chǎn)生的不必要抖動(dòng)，所述去抖軟件處理用于消除人體手部的自然抖動(dòng)(例如采用限幅均值數(shù)字濾波、平滑數(shù)字濾波等)；也可以采用諸如相機(jī)鏡頭防抖的光學(xué)防抖技術(shù)，采用一可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償抖動(dòng)的機(jī)械電子結(jié)構(gòu)組成去抖單元，將體感檢測單元位于其內(nèi)，通過體感檢測單元的陀螺儀偵測到微小頻率較高的非正常操作的移動(dòng)時(shí)，將信號(hào)傳至cpu即時(shí)計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)奈灰屏?，然后通過相應(yīng)的機(jī)械電子機(jī)構(gòu)，根據(jù)體感檢測單元的抖動(dòng)方向及位移量加以補(bǔ)償，從而有效的克服因握持體感示教終端手部的振動(dòng)產(chǎn)生的抖動(dòng)等；還可以采用具有電磁遲滯阻尼結(jié)構(gòu)作為去抖單元對體感檢測單元進(jìn)行阻尼式去抖。

進(jìn)一步的，所述通信單元包括以太網(wǎng)接口、rs485接口、wifi接口、藍(lán)牙接口中的至少一種。通過有線的以太網(wǎng)接口、rs485接口和無線的wifi接口、藍(lán)牙接口用于所述體感示教終端與上位機(jī)器人控制系統(tǒng)等的通信和功能擴(kuò)展。

進(jìn)一步的，所述體感示教終端還包括與cpu相連的急停開關(guān)和伺服使能開關(guān)。所述急停開關(guān)用于突發(fā)情況的緊急停止，以防發(fā)生意外，所述使能開關(guān)可控制機(jī)器人伺服系統(tǒng)的使能與關(guān)閉。

進(jìn)一步的，所述體感示教終端為單手握持結(jié)構(gòu)。

另一方面本發(fā)明還提供一種體感示教方法，技術(shù)方案如下：

一種體感示教方法，采用以上任一所述的體感示教終端，包括以下步驟：

(1)將體感示教終端姿態(tài)調(diào)整至所需空間姿態(tài)方向；

(2)操作體感示教終端上的鍵盤和/或搖桿確定機(jī)器人示教運(yùn)動(dòng)方向和/或速度；

(3)體感檢測單元檢測體感示教終端的空間姿態(tài)方向，將姿態(tài)方向數(shù)據(jù)發(fā)送給cpu，cpu根據(jù)姿態(tài)方向數(shù)據(jù)和步驟(2)中獲得的示教運(yùn)動(dòng)方向和/或速度解算出具體的控制指令，將控制指令通過通信單元發(fā)送給上位機(jī)器人控制系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行示教運(yùn)動(dòng)控制；或者cpu將姿態(tài)方向數(shù)據(jù)和步驟(2)中獲得的示教運(yùn)動(dòng)方向和/或速度信息通過通信單元直接發(fā)送給上位機(jī)器人控制系統(tǒng)，由上位機(jī)器人控制系統(tǒng)解算出具體的控制指令對機(jī)器人進(jìn)行示教運(yùn)動(dòng)控制。

進(jìn)一步的，所述體感示教方法還包括選擇示教模式步驟，所述示教模式包括末端示教模式和關(guān)節(jié)示教模式。

進(jìn)一步的，所述末端示教模式包括位姿調(diào)整模式和虛擬手柄模式，在位姿調(diào)整模式下，向前或向后推動(dòng)搖桿使機(jī)器人沿指定坐標(biāo)軸向前或向后移動(dòng)，向左或向右推動(dòng)搖桿，使機(jī)器人繞指定坐標(biāo)軸順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；在虛擬手柄模式下，機(jī)器人末端的姿態(tài)根據(jù)體感示教終端的姿態(tài)和/或姿態(tài)變化量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明的示教終端實(shí)施例結(jié)構(gòu)小巧緊湊，通過內(nèi)部體感檢測與外部搖桿按鍵的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)單手直觀示教操作，容易實(shí)現(xiàn)小體積和較輕的重量，長時(shí)間操作也不會(huì)使操作者產(chǎn)生疲勞。在單手握持示教時(shí)，可以解放操作者的非操作手，操作者可用另一只手來進(jìn)行擺放器件等輔助操作。

2.本發(fā)明的實(shí)施例通過體感檢測單元與搖桿的配合，將握持體感示教終端的手部姿態(tài)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)起來，使得示教更直觀，更具人機(jī)交互特性，只需直觀的調(diào)整示教終端姿態(tài)方向，動(dòng)動(dòng)拇指就能夠控制機(jī)器人沿所需方向移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，并能夠通過改變推動(dòng)力度調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，甚至可以讓機(jī)器人末端姿態(tài)直接跟蹤示教終端姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。使運(yùn)動(dòng)示教操作變得簡單直觀，操作者無需了解機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)，也不用設(shè)置各種參數(shù)，與傳統(tǒng)示教方案相比，簡化了示教編程，從而降低了對操作者的要求，有助于提升示教效率。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例體感示教終端的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2本發(fā)明實(shí)施例體感示教方法的模式切換及操作流程圖；

圖中所示標(biāo)號(hào)：1——顯示屏，2——搖桿，3——cpu，4——伺服使能開關(guān)，5——6dimu，6——小鍵盤，7——rs485接口，8——以太網(wǎng)接口，9——3d磁力計(jì)，10——急停開關(guān)，11——去抖模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的一種體感示教終端，如圖1所示，包含cpu3，與cpu3連接的6dimu5和3d磁力計(jì)9，本實(shí)施例所述6dimu5和3d磁力計(jì)9置于示教終端內(nèi)部，并位于其重心位置，用于測定所述示教終端在空間中的姿態(tài)，并將檢測到姿態(tài)信息經(jīng)cpu3處理后傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)。

cpu3通過以太網(wǎng)接口8及rs485接口7與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接。與cpu3連接小鍵盤6用于選定要移動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)及示教模式切換。

與cpu3連接的顯示屏1，可設(shè)置于體感示教終端的正面上部以便于觀察，通過圖標(biāo)指示當(dāng)前示教模式或報(bào)警，因此顯示屏只需較小尺寸，以此減小示教終端的尺寸和重量，方便單手操作，直觀的圖標(biāo)顯示可以使操作者將視線更多集中在觀察機(jī)器人的位姿上，減少對操作者精力的消耗。

在示教過程中，示教終端的抖動(dòng)會(huì)影響示教的精度，甚至引發(fā)危險(xiǎn)。由于示教終端操作方式為單手握持，并且示教時(shí)過程中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與示教終端的帶按鍵搖桿2的運(yùn)動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)，推動(dòng)搖桿或按壓按鍵都無避免的使示教終端產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)。同時(shí)，操作者的在握持示教終端時(shí)，由于示教終端處于懸空狀態(tài)，勢必會(huì)隨著操作者手部的無意識(shí)抖動(dòng)而有微小抖動(dòng)。本發(fā)明通過與cpu3連接的去抖模塊11，用于消除操作者按壓按鍵或推動(dòng)搖桿產(chǎn)生的抖動(dòng)的影響，并能結(jié)合集成于cpu3的軟件處理程序來消除操作者手部自然顫抖對示教精度造成的影響?？刹捎玫屯V波模塊用于消除按下按鍵時(shí)產(chǎn)生的不必要抖動(dòng)，采用限幅均值數(shù)字濾波、平滑數(shù)字濾波等去除采集信號(hào)中的人體抖動(dòng)典型的4-12hz以上的相對于示教終端姿態(tài)變化(一般示教時(shí)是較平穩(wěn)的緩慢變化操作)的較高頻率和/或幅值變化大的信號(hào)，用于消除人體手部的自然抖動(dòng)

與cpu3連接的伺服使能開關(guān)4用于伺服使能的開啟與關(guān)閉，一般采用標(biāo)準(zhǔn)三位置使能開關(guān)，單手握持結(jié)構(gòu)時(shí)可設(shè)置于示教終端背面便于食指/無名指等進(jìn)行按壓操作。使能開關(guān)共有三個(gè)位置，松開-一級(jí)按壓-二級(jí)按壓，其中松開和二級(jí)按壓均為off狀態(tài)，一級(jí)按壓為on；按壓至一級(jí)伺服上電，在進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示教時(shí)必須按壓保持此開關(guān)處于這種閉合狀態(tài)；按壓至二級(jí)或松開后伺服斷電，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。這種操作模式符合操作者的生理習(xí)慣，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，操作者會(huì)習(xí)慣的松開或由于緊張而用力按壓伺服使能開關(guān)，兩種情況都能有效實(shí)現(xiàn)伺服斷電，從而保障操作者的安全。

與cpu3連接的急停開關(guān)10，一般放置于方便非操作手觸發(fā)的位置，例如體感示教終端的頂部側(cè)面，通過急停觸發(fā)的設(shè)定，可提高示教終端的安全性。

與cpu3連接的搖桿2是本示教終端的主要輸入設(shè)備，采用帶按鍵功能的2軸模擬搖桿，一般設(shè)置于示教終端的正面中間便于拇指操作的部位，其同時(shí)具有按鍵和搖桿的功能，搖桿按鍵可用于在機(jī)器人末端示教模式下的虛擬手柄模式及位姿調(diào)整模式間切換，向前或向后推動(dòng)搖桿可使機(jī)器人在位姿調(diào)整模式下，沿所選坐標(biāo)軸向前或向后移動(dòng)，在該模式下向左或向右推動(dòng)搖桿，可使機(jī)器人繞所選坐標(biāo)軸順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施例還提供一種體感與帶按鍵搖桿相結(jié)合的體感示教方法，這種示教方法使機(jī)器人示教變得簡單、直觀，并且高效。為了精確示教，本實(shí)施例在對機(jī)器人示教前操作者通過小鍵盤6中設(shè)置的校準(zhǔn)功能按鍵使示教終端進(jìn)入校準(zhǔn)模式，操作者通過觀察顯示屏1的圖標(biāo)顯示狀態(tài)來對6dimu進(jìn)行校準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)后，操作者便可著手對機(jī)器人進(jìn)行示教，其具體實(shí)施方式，如圖2所示：

s100:打開伺服使能開關(guān)4，使能伺服系統(tǒng)；

s200:通過小鍵盤6的示教模式按鍵，使示教終端進(jìn)入示教模式；

s300:通過小鍵盤6的示教模式切換按鍵，使示教終端在機(jī)器人末端示教模式與機(jī)器人關(guān)節(jié)示教模式間進(jìn)行切換，并通過顯示屏1相應(yīng)圖標(biāo)指示當(dāng)前示教模式；

s410、s510:機(jī)器人進(jìn)入末端示教模式，在此模式下，示教終端控制機(jī)器人末端中心的運(yùn)動(dòng)，此模式下通過6dimu5和3d磁力計(jì)9檢測示教終端的方向和姿態(tài)信息，通過與之相連的cpu3將方向和姿態(tài)信息由以太網(wǎng)接口8和rs485接口7傳遞給機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過帶按鍵搖桿2與由6dimu5及3d磁力計(jì)9組成的體感檢測系統(tǒng)的不同組合使用方式，機(jī)器人末端示教模式又可分為虛擬手柄(自由)模式和位姿(坐標(biāo))模式兩種子模式，并通過按壓搖桿2在這兩種模式間進(jìn)行切換，為保證安全，在這兩種子模式操作過程中，示教終端的轉(zhuǎn)動(dòng)速度將被限制，當(dāng)示教終端的轉(zhuǎn)動(dòng)速度接近速度限制時(shí)，顯示屏1將顯示警告信息，如果速度過快，機(jī)器人將停止運(yùn)動(dòng)。并且機(jī)器人的末端轉(zhuǎn)動(dòng)與平動(dòng)將互相鎖定，以避免機(jī)器人出現(xiàn)預(yù)期之外的運(yùn)動(dòng)。

s611:通過按住搖桿按鍵8使示教終端進(jìn)入虛擬手柄模式，并通過顯示屏5指示當(dāng)前示教狀態(tài)，在此模式下機(jī)器人末端通過6dimu5及3d磁力計(jì)檢測到的示教終端的方向和姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)跟蹤示教終端的姿態(tài)和方向變化，這時(shí)搖桿功能可變?yōu)閱嗡俣瓤刂乒δ?，無論朝那個(gè)方向推動(dòng)都是根據(jù)推動(dòng)力度調(diào)整示教運(yùn)動(dòng)速度(使搖桿回復(fù)到中心零位則速度為零)，也可選擇無需搖桿操作的固定速度(低速)的自動(dòng)跟蹤方式，例如按動(dòng)伺服使能開關(guān)后機(jī)器人根據(jù)示教終端姿態(tài)方向或變化量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，關(guān)閉伺服使能開關(guān)則停止調(diào)整。此時(shí)，示教終端充當(dāng)機(jī)器人末端的虛擬手柄，整個(gè)示教過程如同操作者握著機(jī)器人末端進(jìn)行拖動(dòng)來調(diào)整機(jī)器人的空間姿態(tài)。這使得機(jī)器人的空間姿態(tài)調(diào)整變得簡單直觀，然而傳統(tǒng)示教器則很難完成機(jī)器人空間姿態(tài)的調(diào)整。

s612：在位姿調(diào)整模式下，操作者通過向前或向后推動(dòng)搖桿2控制機(jī)器人沿所選方向平移以調(diào)整機(jī)器人末端的位置，通過向左或向右推動(dòng)搖桿2控制機(jī)器人末端沿所選方向旋轉(zhuǎn)以調(diào)整機(jī)器人末端的姿態(tài)。此模式下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的選定方法有兩種類型，操作可以通過小鍵盤6切換運(yùn)動(dòng)方向的選取方式。一種方式是，直接由示教終端的方向決定著機(jī)器人末端的移動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)軸向。這種方式下，機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)方向不需要與坐標(biāo)系統(tǒng)的方向?qū)R，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒏S示教終端的主動(dòng)連續(xù)的變化，使得機(jī)器人可以沿著任意方向運(yùn)動(dòng)。另一種方式是，運(yùn)動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)軸向由所選的坐標(biāo)系統(tǒng)定義(世界/目標(biāo)/工具)，機(jī)器人末端沿著示教終端與所選坐標(biāo)系最接近的坐標(biāo)軸方向軸移動(dòng)，機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒃诓煌妮S向間切換，這種方式在精確調(diào)整機(jī)器人位置時(shí)很有用。位姿模式下，大拇指的推動(dòng)搖桿2的動(dòng)作，及手部的轉(zhuǎn)動(dòng)與機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)直接關(guān)聯(lián)，使得示教過程變得十分直觀。而且，可以根據(jù)推動(dòng)搖桿的力度不同，來調(diào)整示教時(shí)機(jī)器人的速度。

s420、s520、s620:操作者可以通過小鍵6將機(jī)器人示教模式切換至關(guān)節(jié)示教模式，在此模式下操作者可通過小鍵盤6選定需要調(diào)整的關(guān)節(jié)，選定對應(yīng)關(guān)節(jié)后，通過向左或向右推動(dòng)搖桿可控制機(jī)器人的單個(gè)關(guān)節(jié)沿正方向或負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

s700、s800:示教過程中可通過小鍵盤6中的示教模式切換鍵在兩種示教模式間切換，示教完成后可通過小鍵盤6中的相應(yīng)按鍵推出示教模式，并通過自動(dòng)運(yùn)行按鍵進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，來觀察示教效果。

從以上描述可以看出，本發(fā)明的基于體感與帶按鍵搖桿的直觀示教方案實(shí)現(xiàn)了以下效果，通過手持示教終端將手部姿態(tài)，尤其是操控?fù)u桿的大拇指姿態(tài)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)起來，使得示教更直觀，更具人機(jī)交互特性。與傳統(tǒng)示教方案相比，簡化了示教編程，降低了示教操作的技術(shù)門檻，提高了示教效率。

上述對本發(fā)明進(jìn)行了足夠詳細(xì)的具有一定特殊性的描述。實(shí)施例中的描述僅僅是示例性的，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下做出所有改變都應(yīng)該屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍是由所述的權(quán)利要求書進(jìn)行限定的，而不是由實(shí)施例中的上述描述來限定的。