基于IMU与视觉的机器人引导手柄及其使用方法

技术领域

本发明属于机器人自动化应用技术领域，具体涉及一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄及其使用方法。

背景技术

随着机器人在工业生产中应用的普及，人们对机器人的可操控性和安全性要求越来越高，传统的机器人应用多为调试人员通过现场实地调试机器人以满足生产需求，此种作业方式效率较为低下；后来逐渐出现在机器人末端安装有力传感器等辅助设备来拖拽机器人示教，相较传统的通过示教器示教轨迹，效率有所提升。但是上述两种机器人应用方式中都要求人在机器人旁边作业，尤其是拖拽示教的方式，要求人与机器人设备0距离接触，一定程度上增加了机器人操作的安全隐患；同时，上述两种机器人应用方式中，都是通过插入点位信息和选择不同的插补形式来完成示教工作，对于复杂的曲面、弧形工件应用存在一定的局限性，生产出的产品表面连贯性不能保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IMU，结合视觉、传感器、陀螺仪等感知、识别周围环境，实现对机器人的远程作业、复杂环境作业、快捷轨迹引导、轨迹记录、轨迹复现等功能的机器人引导手柄及其使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄，包括手柄，手柄上侧设有多个按钮，手柄前端设有面型基准，手柄底部设有线型基准，面型基准垂直于线型基准布置；线型基准用于实现机器人在线性应用场景的引导功能，面型基准用于实现机器人在面性应用场景的引导功能；线性应用场景至少适用于毛刺、倒角、涂胶工艺，面性应用场景至少适用于打磨、抛光工艺；

所述按钮至少包括按钮A、按钮B、按钮C、按钮D，4个按钮分别用以控制机器人Movl点位记录、Movj点位记录、全轨迹记录和程序下发的功能；

所述手柄前部设有视野朝向下方的3D视觉相机，3D视觉相机具有实感跟踪功能，其内部集成有可用于检测6个自由度的运动状态的惯性测量单元；

所述手柄内设有集成电路板，手柄侧面设有与3D视觉相机连接的第一通讯线缆、与集成电路板连接的第二通讯线缆。

优选的是，所述面型基准和线型基准均与手柄可拆卸的连接。

优选的是，所述面型基准和线型基准通过相同型号的连接件连接，使得面型基准和线型基准的位置可互换。

优选的是，所述手柄前端设有用于保护相机的盖子，盖子上设有密封防震棉。

优选的是，所述惯性测量单元内集成有用于稳定图像的陀螺仪和多种传感器，以检测三个轴的旋转和移动，以及俯仰、偏航和翻滚情况。

优选的是，所述集成电路板上集成有用于实现对机器人远程引导的无线通信模块。

优选的是，所述线型基准下端加工为锥形。

优选的是，所述线型基准下端设有凹槽，凹槽内设有滚珠。

优选的是，所述凹槽上部连通有容纳槽，容纳槽内设有含色指示剂；线型基准下部侧壁上加工有与容纳槽连通的注入孔；滚珠用于在参考基准面上划出运行轨迹。

一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄的使用方法，通过3D相机获取当前参考基准在世界坐标系中的位姿，分析标定的机器人和引导手柄相对位姿关系，将引导手柄的轨迹转化为机器人末端工具的轨迹，从而实现轨迹复现功能；

在轨迹引导过程中，操作者将线型基准或者面型基准沿着参考基准面移动，对于线性应用场景选择使用线型基准，面性应用场景选择面型基准；操作者根据工艺需要选择按钮A或按钮B来记录点位信息和插补方式，连续记录点位完成后，点击按钮D发送记录的程序信息至机器人，即可完成机器人的轨迹引导、示教工作；

对于连续变化的复杂曲面工况，操作者可选择线型基准作参考，点击按钮C，打开全轨迹跟随记录功能，通过线型基准的末端尖点沿着曲面均匀移动，轨迹引导完成后，再次点击按钮C，关闭全轨迹跟随记录功能，点击按钮D发送记录的程序信息至机器人，即可完成了机器人在复杂曲面工况的引导示教工作。

本发明的基于IMU与视觉的机器人引导手柄，相较于传统的通过示教器示教机器人或者新兴的通过力传感器拖拽示教机器人程序语言的现状，本发明利用惯性测量单元（IMU）将各种传感器和陀螺仪结合起来，配合具有环境感知与跟踪能力的视觉相机，通过以太网通讯，可很好的实现引导手柄与机器人分离作业；同时此款引导手柄具有轨迹跟随、轨迹记录和轨迹复现的功能，可以更好的适应复杂的曲面、弧形工况；另外，线型基准端部的滚珠设计也能有效保护参考基准面。

附图说明

图1为一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄的主视图；

图2为图1中基于IMU与视觉的机器人引导手柄的左视图；

图3为图1中基于IMU与视觉的机器人引导手柄的局部剖视图；

图4为图1中基于IMU与视觉的机器人引导手柄的内部结构图；

图5为另一种线型基准的端部结构示意图。

附图中的标号分别为：1、手柄，2、按钮A，3、按钮B，4、按钮C，5、按钮D，6、盖子，7、通讯线缆，8、通讯线缆，9、双孔平头螺栓，10、线型基准，11、面型基准，12、A组螺柱，13、密封防震棉，14、B组螺柱，15、六角螺柱，16、集成电路板，17、锁紧螺母，18、固定块A，19、螺栓，20、固定块B，21、3D相机，22、凹槽，23、滚珠，24、容纳槽，25、含色指示剂，26、注入孔。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1-2所示，一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄，包括手柄1，手柄1上侧设有多个按钮，手柄1前端设有面型基准11，手柄1底部设有线型基准10，面型基准11垂直于线型基准10布置；线型基准10用于实现机器人在线性应用场景的引导功能，面型基准11用于实现机器人在面性应用场景的引导功能；线性应用场景至少适用于毛刺、倒角、涂胶工艺，面性应用场景至少适用于打磨、抛光工艺；

所述按钮至少包括按钮A2、按钮B3、按钮C4、按钮D5，4个按钮分别用以控制机器人Movl点位记录、Movj点位记录、全轨迹记录和程序下发的功能；如此可简单、快捷的实现实体机器人的轨迹引导，实时高效。

所述手柄1前部设有视野朝向下方的3D视觉相机21，3D视觉相机21具有实感跟踪功能，其内部集成有可用于检测6个自由度的运动状态的惯性测量单元IMU；

如图4所示，所述手柄1内设有集成电路板16，手柄1侧面设有与3D视觉相机21连接的第一通讯线缆7、与集成电路板16连接的第二通讯线缆8。

所述面型基准11和线型基准10均与手柄1可拆卸的连接。

如图3所示，所述面型基准11和线型基准10通过相同型号的连接件连接，使得面型基准11和线型基准10的位置可互换，方便客户根据实际应用选择合适的安装形式。本实施例中，盖子6通过双孔平头螺栓9与手柄1固定连接；线型基准10和面型基准11分别通过A组螺柱12和B组螺柱14固定连接于手柄1上；密封防震棉13粘于盖子6上，用于引导手柄的密封和3D相机21的减震保护；六角螺柱15与手柄1内侧凸起部位强力粘接，不可拆卸，其上安装有PCB集成电路板16，通过锁紧螺母17固定于六角螺柱15上；固定块A18和固定块B19通过螺栓19将3D相机21压紧固定于手柄1内侧。

所述手柄1前端设有用于保护相机的盖子6，盖子6上设有密封防震棉13。

所述惯性测量单元IMU内集成有用于稳定图像的陀螺仪和多种传感器，以检测三个轴的旋转和移动，以及俯仰、偏航和翻滚情况。

所述集成电路板16上集成有用于实现对机器人远程引导的无线通信模块。本实施例中，引导手柄通过以太网与机器人连接通讯，可与多品牌机器人通讯并实现机器人轨迹引导、记录、复现等功能，并使远程操作成为可能，可用于危险环境作业等领域，很好的实现从机器人帮人到机器人换人的跨越；所述集成电路板设计集成了开关量、模拟量等数据接收、数据处理，最终由RS422传输协议输出至终端设备。

所述线型基准10下端加工为锥形。

一种基于IMU与视觉的机器人引导手柄的使用方法，通过3D相机21获取当前参考基准在世界坐标系中的位姿，分析标定的机器人和引导手柄相对位姿关系，将引导手柄的轨迹转化为机器人末端工具的轨迹，从而实现轨迹复现功能；

在轨迹引导过程中，操作者将线型基准10或者面型基准11沿着参考基准面移动，对于线性应用场景选择使用线型基准10，面性应用场景选择面型基准11；操作者根据工艺需要选择按钮A2或按钮B3来记录点位信息和插补方式，连续记录点位完成后，点击按钮D5发送记录的程序信息至机器人，即可完成机器人的轨迹引导、示教工作；

对于连续变化的复杂曲面工况，操作者可选择线型基准10作参考，点击按钮C4，打开全轨迹跟随记录功能，通过线型基准10的末端尖点沿着曲面均匀移动，轨迹引导完成后，再次点击按钮C4，关闭全轨迹跟随记录功能，点击按钮D5发送记录的程序信息至机器人，即可完成了机器人在复杂曲面工况的引导示教工作。

实施例2

与实施例1类似，其区别之处在于，所述线型基准10下端设有凹槽22，凹槽内设有滚珠23。相较于实施例1中线型基准下端加工为锥形（锐部），本实施例中的线型基准下端类似圆珠笔尖的结构更不容易划伤参考基准面，滑行时也更为顺滑，不容易产生刺耳的噪音。

实施例3

如图5所示，与实施例2类似，其区别之处在于，所述凹槽上部连通有容纳槽24，容纳槽内设有含色指示剂25；线型基准10下部侧壁上加工有与容纳槽连通的注入孔26；注入孔用于向容纳槽内注入少量含色指示剂，滚珠用于在参考基准面上划出运行轨迹。含色指示剂可以根据工件材质选择相应的油墨，滚珠划过参考基准面时形成轨迹线，轨迹线对于后续的数据调整、校准以及重复测试等较为有利。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。