一种机械臂的示教系统

REF:工业机械臂示教系统的设计与开发

1. 示教系统概述

机械臂示教系统的工作过程，并不只是单纯地由机械臂来复制操作人员的全部的演示工作，而是由操作人员或者系统中的算法在示教运动的过程中选择有效的数据信息进行提取，再由示教系统对有效数据进行转换、加工为运动参数，并利用这些参数指挥工业机械臂完成目标轨迹的运动。

示教系统获取运动数据的方式主要可以分为映射方法和非映射的直接方法。

映射方法，机器人往往由示教人身上的穿戴设备获取运动数据并将数据发送到机器人系统中，经过数据处理后实现示教操作。这种方法获得的轨迹往往比较平滑，对于示教操作人员来说工作量也较少，但是这种由人来演示的示教方法不能够满足工业机械臂领域中复杂的工作需求，不能够作为本文设计开发的示教系统的数据获取方法。

非映射方法是由示教盒或机械臂上的设备直接获取关节数据，省去了设备之间的映射工作，包括拖动示教和控制示教两种方法，拖动示教由示教操作人直接牵引机械臂进行运动，由机械臂上的设备来获取运动数据的方式，拖动示教工作简单，但是劳动强度较大，特别是面对大型设备这种方法就会失效。控制示教是使用控制设备调整机械臂的位姿来获取示教点，并由示教点的数据进行在线编程的方式，这种方案的设备成本较低，是工业机械臂行业中最常见的方式，而本文也将使用该方案进行示教系统的开发。流程可以简单地分为示教运动、数据获取、编程指令编辑、轨迹再现四个阶段。

除了上述基于机械臂控制器实现的在线编程方案，还有基于三维仿真界面实现的离线编程方案，离线示教和在线示教的区别在于示教系统在示教运动、数据获取、指令编程阶段脱离了机械臂本体及其控制器。在离线示教中，操作人员无法直观的看到机械臂本体的运动姿态，所以需要由离线示教系统提供的三维场景和机械臂模型来辅助示教操作人员的工作，在图形界面的三维场景之中，示教系统将模拟实际生产的工作环境，而操作人员的控制对象也由机械臂结构本体转为三维的机械臂模型。

2. 示教系统架构

示教系统包括两款软件，其中示教器软件负责连接工业机械臂控制器进行在线编程工作，而三维仿真软件则负责和工业机械臂模型交互实现离线编程的目的。在示教系统中需要提供一系列的共享库文件辅助软件的计算工作，除此之外还需要设计一套用户编程指令体系，在这两者的支持下两款示教编程软件才能完成各自的工作。

用户编程指令对机械臂的控制，需要设计一个用户编程指令解释器将其转化为控制器中的命令格式。由解释器转化生成的控制器命令将存储于示教系统软件的管理中心当中，通过管理中心可以实现用户编程指令代码的在线调试工作。

运动控制指令是用户编程指令中最基本的部分，主要通过定义关节的运动和末端执行器的运动来实现运动控制的目的，运动控制编程指令主要包括关节运动指令、工具运动指令、直线运动指令、圆弧运动指令和整圆运动指令等。

机械臂的运动控制方面，不同厂商采取了各具优势的方案，分为两个流派，第一个采用大量的按键去实现关节和坐标系下的运动，但是通过按钮的操作无法控制运行的速度，所以这种方案无论是使用硬件方法还是软件方法去实现都需要另外的模块去控制速度，实际上FANUC 和UR 的设备都是这么实现的；另一个使用高自由度的操纵杆实现对工业机械臂关节的运动控制，操纵杆在实现运动控制控制的同时还实现了通过控制拨动操纵杆的深度实现了速度的控制，对操作人员来说非常友好，但是这种操纵杆方案在硬件方面有占据空间较大和成本较高的问题。