测控一体机器人系统与操控方法

1.本发明涉及一种工业机器人控制系统，特别是面向大尺寸件的高效切割、焊接和打磨的机器人及控制。


背景技术：

2.铸造是制造的重要手段，在我国制造业中占据重要地位，占比超过40％。铸造零部件广泛应用于汽车、机床、轨道交通、电力及发电设备等基础工业领域。但由于铸造工艺的影响，铸造件必然会出现数十至数百毫米的浇冒口、合模线等残留特征，且呈现分布随机、形貌随机、尺寸随机的特点。此外，焊接加工方面对焊缝吻合度也有很高的要求。因此，残留特征或者焊缝的快速测量成为高效率高质量加工的关键一步。
3.现有面向大型铸造件的自动化加工中多采用手轮示教、拖动示教或扫描-配准的测量方式。诸如：
4.专利号为202020117510.8，授权公告日为2020年9月15日的实用新型专利中公开了一种基于脉冲手轮的新型示教器，主要包括：用于安装各零件的壳体，用于处理用户指令，并向机器人发送示教命令的电路板；电路板与机器人连接且用于接收用户指令的触摸屏，用于调整机器人的示教位置的电子脉冲手轮；与电路板连接的使能开关。在对机器人进行示教位置调整时，直接旋转电子脉冲手轮。
5.专利号为201320489386.8，授权公告日为2014年3月5日的实用新型专利中公开了一种可以直接拖动示教的机器人，主要包括与底座连接的多关节臂，多关节臂与底座的连接关节以及多关节臂自身的各关节处均通过与电机传动系统连接的关节轴传动连接，用于检测并记录关节轴的动作情况的与计算机系统电连接的编码器。示教时，机器人的关节运动均会被编码器所捕捉，实时记录机器人的运动轨迹数据并储存于计算机系统；示教结束后，靠计算机系统即可自动控制机器人的动作轨迹再现。
6.专利申请号为201910731854.x，申请公布日为2019年11月19日的专利申请中公开了一种三维激光扫描的高精度点云配准方法，对三维激光扫描得到不同视角的散乱点云通过基于曲率的特征提取后得到特征点，对匹配的特征点对解算坐标转换参数，得到前置粗配准结果，针对两点云数据并非子集关系的情况，利用距离约束的条件剔除错误的同名点，然后进行迭代精配准得到最终配准结果。现有的手轮示教虽然精度较高，但效率低；拖动示教虽然效率高，但精度低，均难以实现精度与效率的统一；而扫描-配准的方式在实施中，由于大型铸造件需要扫描的点云较多和处理数据量大，致使配准效率大大降低，甚至远超加工时间。
7.因此，现有加工模式均难以满足大型铸造件高效高质量切割、打磨和焊接加工的需求，亟需形成一种面向大型铸造件高效加工的系统与方法，即测控一体机器人系统与操控方法。


技术实现要素：

8.基于上述背景技术，针对现有加工模式存在的不足，本发明提出了一种测控一体机器人系统与操控方法，旨在解决大尺寸件高效率高质量加工难题。
9.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种测控一体机器人系统，包括与机器人连接的测量臂，所述测量臂上设有显示器和控制按钮，所述测量臂、机器人、控制按钮和显示器均连接至控制系统，所述控制系统包括控制装置和安装于所述控制装置中的用于数据采集、数据处理及动作控制的软件，该测控一体机器人系统用于大尺寸件的高效切割、焊接和打磨加工；所述测量臂包括多个关节，各个关节内设有角度传感器，从而精准测量测量臂末端的空间位姿，并将空间位姿信息传递给所述控制系统；所述控制按钮包括记录、运行和移动三种指令的按钮，用于向所述控制系统发送纪录、运行、移动操控指令；所述显示器用以显示所述控制系统接收或反馈的信息以及所述机器人的实时状态；所述控制系统读取所述测量臂反馈的测量臂末端的位姿数据、读取所述控制按钮发送的指令、向所述显示器发送状态信息、向机器人发送控制指令，从而实现对所述机器人的运动控制；所述机器人根据接收来自于所述控制系统发出的控制指令，执行相应的动作，从而完成相应的加工操作。
10.进一步讲，本发明所述的测控一体机器人系统，其中：
11.所述测量臂是具有多维度空间位姿测量的装置，可供选择的关节臂式测量机、激光跟踪仪、并联测量装置、视觉测量装置、激光测量装置、陀螺仪。
12.所述测量臂固定安装于所述机器人的末端或所述机器人的主体零件上，并随所述机器人运动。
13.所述控制装置包括具有计算功能的计算机和运动控制器中的一种或两种的组合。
14.同时，本发明中还提出了上述测控一体机器人的操控方法，主要是：加工过程中，所述测量臂向控制系统反馈测量臂末端的位姿数据，所述控制系统根据测量臂末端位姿数据转换计算的结果实现机器人自动编程与机器人跟随控制。
15.进一步讲，上述操控方法中，
16.通过操作人员手动操作所述测量臂移动，操作人员按下所述测量臂上控制按钮中相应的按钮，所述显示器接收所述控制装置的状态反馈信息，显示所述机器人的系统状态；通过所述控制装置和所述软件的计算和控制形成机器人运动程序，所述机器人按照生成的运动程序自动运行。
17.加工过程中，操作人员手动操作所述控制按钮中的移动指令按钮，测量臂移动；所述控制装置检测到所述测量臂的位姿数据发生变化后，由所述软件控制所述机器人跟随所述测量臂移动；操作人员通过所述控制中的记录指令按钮，向所述控制装置发送记录指令后，所述控制装置对所述测量臂的当前位姿进行一次、多次或连续读取并记录，经所述软件转换计算和编程后，自动生成机器人的运动程序；操作人员通过所述控制按钮中的运行指令按钮向所述控制装置发送运行指令后，所述控制装置通过所述软件生成的机器人运动程序控制所述机器人运动；操作人员通过所述控制按钮中的移动指令按钮向所述控制装置发送移动指令后，所述控制装置控制所述机器人产生期望方向上的运动。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明采用的测量臂对空间位姿的精准测量能够保证测量过程的精确性和稳定性。测量臂相对于机器人可以是跟随运动也可以是固定的，这有利于实施者可以根据具体
的工作需求和工作空间进行选择。
20.本发明中的测量臂上设置有控制按钮和显示装置，这种人机交互简单高效，操作人员易于操作。控制装置不但能接收测量臂、机器人和控制按钮传递的信息，而且还能及时将这些信息反馈给显示器和软件，从而控制机器人的运动，具有强大的计算能力，为控制过程提供强有力的保障。其中的软件能够实现多种功能，包括位姿数据的转换计算、机器人自动运动轨迹的编程或是机器人的跟随控制。此外，本发明操控方法可以根据具体的加工工况对相应的程序和参数进行修改，具有一定的普适性，至于如何实现软件的编程属于本技术领域的公知常识，本发明中不再赘述。
21.本发明提出的测控一体机器人系统的操控方法简单高效，操作人员还可以通过操作控制按钮拖动测量臂，即按下相应的按钮就能控制所述机器人自动运行或者产生期望方向上的运动。整个测控过程中，避免了操作人员使用加工工具与大型工件的直接接触，保障了加工过程中的安全性和稳定性。
附图说明
22.图1是本发明测控一体机器人系统示意图；
23.图2是本发明中操控方法的流程图。
24.图中：1-测量臂；2-控制按钮；3-显示器；4-机器人；5-控制装置；6-软件。
具体实施方式
25.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
26.如图1所示，本发明提出的一种测控一体机器人系统，包括机器人4、测量臂1、控制按钮2、显示器3和控制系统，所述控制系统包括控制装置5和安装于所述控制装置5中的用于数据采集、数据处理及动作控制的软件6。该测控一体机器人系统用于大尺寸件的高效切割、焊接和打磨加工，其中的机器人4是焊接机器人。
27.所述测量臂1包括多个关节，各个关节内设有角度传感器，从而精准测量测量臂末端的空间位姿，并将空间位姿信息传递给所述控制系统；所述测量臂1是具有多维度空间位姿测量的装置，可供选择的关节臂式测量机、激光跟踪仪、并联测量装置、视觉测量装置、激光测量装置、陀螺仪。测量臂的形式可不唯一，能精准测量空间位姿并可将位姿信息传递给控制装置5和软件6，所述测量臂1可固定安装于机器人末端或安装于机器人主体零件上，随机器人运动，所述测量臂也可与机器人底座相对固定安装，所述测量臂1固定搭载于所述机器人4的末端执行器附近。
28.所述的控制按钮2和显示器3安装在所述测量臂1上。所述控制按钮2包括记录、运行和移动三种指令的按钮，用于向所述控制系统发送纪录、运行、移动操控指令。所述显示器3用以显示所述控制系统接收或反馈的信息以及所述机器人4的实时状态。
29.所述测量臂1、机器人4、控制按钮2和显示器3均连接至控制装置5，所述控制装置5通过线缆连接所述机器人4，所述软件6在所述控制装置5中运行。所述控制装置5包括具有计算功能的计算机和运动控制器中的一种或两种的组合。所述控制装置5既能实现对机器人4的运动控制也可读取测量臂1反馈的测量臂末端的位姿数据、还能读取所述控制按钮2
不同状态发送的指令和向显示器3发送状态信息。所述软件6在所述控制装置5中运行，与控制装置5进行信息交互，所述软件6接收控制装置5反馈的位姿信息，进而实现位姿数据的转换计算、机器人自动编程与机器人跟随控制，再将更新的信息传递给所述控制装置5，所述机器人4根据接收来自于所述控制系统发出的控制指令，执行相应的动作，从而控制所述机器人4的运动，完成相应的加工操作。
30.基于上述测控一体机器人系统的操控方法为：加工过程中，所述测量臂1向控制系统反馈测量臂末端的位姿数据，所述控制系统根据测量臂末端位姿数据转换计算的结果实现机器人自动编程与机器人跟随控制。
31.操作人员手动操作所述测量臂1移动，操作人员按下所述测量臂1上控制按钮2中相应的按钮，所述显示器3接收所述控制装置5的状态反馈信息，显示所述机器人4的系统状态；通过所述控制装置5和所述软件6的计算和控制形成机器人运动程序，所述机器人4按照生成的运动程序自动运行。也可以让所述机器人4产生期望方向上的运动。
32.如图1至图2所示，操作人员首先手动操作所述控制按钮2中的移动指令按钮，这会让所述测量臂1产生位姿的变化；测量臂1各个关节内设有角度传感器，传感器会精准捕捉这一变化，而后编码器将关节转过的角度转化为电信号，进而将电信号传递到所述控制装置5，所述控制装置5检测到所述测量臂1的位姿数据发生变化后，接受到信号后，由所述软件6控制所述机器人4跟随所述测量臂1移动，即由所述控制装置5内的所述软件6进行信号处理，再将处理后的信号传递给所述机器人4，所述机器人4受到控制后会根据所述测量臂1移动过的轨迹进行相应的运动。
33.通过所述测量臂1与所述控制装置5的通讯，操作人员通过所述控制按钮2中的记录指令按钮，向所述控制装置5发送记录指令后，所述控制装置5对所述测量臂1的当前位姿进行一次、多次或连续读取并记录，操作人员可以看到所述显示器3接收所述控制装置5的状态反馈信息，显示所述机器人4的系统状态。之后，将所记录的信息和数据经所述软件6转换计算和编程后，自动生成所述机器人4的运动程序，该运动程序能让所述机器人4能按所述测量臂1示教后进行运动。
34.操作人员通过所述控制按钮2中的运行指令按钮向所述控制装置5发送运行指令后，所述控制装置5收到运行指令之后，通过所述软件6生成的机器人运动程序控制所述机器人4按照运动程序运动，所述机器人4收到运动程序的控制指令后可以按照所述测量臂1走过的轨迹自动进行运动。
35.操作人员通过所述控制按钮2中的移动指令按钮向所述控制装置5发送移动指令后，
36.所述控制装置5收到移动指令之后，通过与所述测量臂1以及所述机器人2的通讯，将所述机测量臂1与所述机器人4进行数据匹配。在操作人员手动操作所述测量臂1之后，所述测量臂1会发生姿态变化，所述控制装置5接受到这一信息的变化后，操作人员可以看到所述显示装置3接收所述控制装置5的状态反馈信息，显示所述机器人4的系统状态。之后，所述控制装置5将会控制所述机器人4跟随所述测量臂1的运动而运动，从而产生操作人员期望方向上的运动。
37.本发明中所述测量臂1和所述机器人4结构形式不限，可以采用现有技术中任意具备相应功能的机器人。
38.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。