一种用于六自由度机器人的操作手柄及控制方法与流程

1.本发明属于机器人操控设备技术领域，具体涉及一种用于六自由度机器人的操作手柄及控制方法。


背景技术：

2.国内绝大多数机械臂都是由示教器或常规机械臂手柄控制其自身运动，具体操作需要操作人员的两只手一直握着示教器，通过输入的固定代码算法限制机械臂关节及末端的姿态执行，示教器得到的运动轨迹是固定的，不利于机械臂根据实际使用环境作出相应调整，上述操作不够简便而且限制了机械臂的应用。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种用于六自由度机器人的操作手柄及控制方法，旨在解决现有技术中示教器控制方式的运动轨迹固定，不利于机械臂根据实际使用环境作出相应调整的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.提供一种用于六自由度机器人的操作手柄，包括：
6.架体；
7.相机，竖直设置在所述架体上，且镜头朝下设置；
8.手柄本体，位于所述相机的镜头的正下方，所述手柄本体的顶部通过弹性部件与所述架体的顶部连接；
9.靶标，连接在所述手柄本体的顶部，所述靶标上设有若干特征标记点，以使所述相机识别所述靶标的空间位姿；以及
10.处理模块，与所述相机电性连接；
11.其中，所述相机用于获取所述靶标的图像，并传递到所述处理模块；所述处理模块用于解算相机与靶标之间的外部参数，并通过空间位姿算法计算得出所述靶标此时的空间位姿，并将空间位姿信息传递到机械臂的控制器中，机械臂的末端执行器会根据该信息进行相应的运动；在所述手柄本体操作完毕后，所述弹性部件用于所述手柄本体复位。
12.在一种可能的实现方式中，所述架体顶部和所述手柄本体顶部之间设有弹性罩体，所述弹性罩体的两端分别与所述架体和所述手柄本体连接；所述靶标的特征标记点具有光源，以便于相机识别所述靶标的特征标记点。
13.在一种可能的实现方式中，所述靶标顶部的中间位置具有凸出部，所述靶标顶部于所述凸出部的两侧均具有特征标记点，且所述靶标顶部的特征标记点不对称设置；所述凸出部的顶部也具有特征标记点。
14.在一种可能的实现方式中，所述光源的顶部设有掩模版和散光涂层。
15.在一种可能的实现方式中，操作手柄还包括：
16.平移控制按钮和旋转控制按钮，均设置在所述架体上；所述平移控制按钮和所述
旋转控制按钮均与所述处理模块电性连接；
17.其中，在按动平移控制按钮时，所述处理模块将所述靶标的空间平移位姿信息传递到机械臂的控制器中；在按动旋转控制按钮时，所述处理模块将所述靶标的空间旋转位姿信息传递到机械臂的控制器中。
18.在一种可能的实现方式中，所述架体上设有控制杆，所述控制杆通过连接结构与所述架体连接；所述平移控制按钮和所述旋转控制按钮均设在所述控制杆上；
19.所述控制杆上还设有速度控制元件，所述速度控制元件与所述处理模块电性连接；所述速度控制元件用于将速度控制信息传递到处理模块，所述处理模块用于将速度控制信息传递到机械臂的控制器中，以改变机械臂末端执行器的运动速度。
20.在一种可能的实现方式中，所述手柄本体的底部具有转轴，所述架体的底部具有与所述转轴插接配合的限位孔；
21.其中，所述限位孔的直径大于所述转轴的直径，所述限位孔的周壁用于周向限位所述转轴。
22.在一种可能的实现方式中，所述架体的顶部具有容纳箱，所述相机固定在所述容纳箱内；所述弹性部件位于所述容纳箱和所述手柄本体顶部之间；
23.所述容纳箱的底部具有与所述相机对齐的避让孔，所述避让孔位于所述靶标的正上方。
24.本发明提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄，与现有技术相比，处理模块用于解算相机与靶标之间的外部参数，并通过空间位姿算法计算得出所述靶标此时的空间位姿，并将空间位姿信息传递到机械臂的控制器中，机械臂的末端执行器会根据该信息进行相应的运动。因此本技术中的控制方式能够进行机械臂控制规划处理，实现两类子系统的协调控制，这样可以使机械臂实时高质量地完成任务，从而提高操纵的灵活性和快速性；便于机械臂根据实际使用环境作出相应调整。在处理模块生成靶标空间位姿信息时，处理模块能够将空间位姿信息传递到机械臂的控制器，通过控制器控制机械臂的动作。
25.为实现上述目的，本发明采用的另一技术方案是：
26.提供一种操作手柄的控制方法，包括上述用于六自由度机器人的操作手柄，控制方法包括：
27.在相机固定在所述容纳箱顶部后，相机识别处于初始状态时，首先利用棋盘格靶标对相机进行内部参数的标定，完成相机内部参数的标定后，拍摄手柄初始状态下的第一靶标图像，并将第一靶标图像传递到处理模块；
28.靶标跟随手柄本体运动后，相机识别运动后的第二靶标图像，并将第二靶标图像传递到处理模块，处理模块通过空间位姿解算方法得到相机和运动至第二位置处靶标之间的外部参数，并通过刚体变换得出靶标此时的空间位姿；处理模块将手柄此时的空间位姿信息传递到机械臂的控制器，机械臂的控制器根据手柄的空间位姿信息完成对机械臂的操纵。
29.在一种可能的实现方式中，架体上设有与处理模块电性连接的平移控制按钮和旋转控制按钮，控制方法还包括：
30.以相机的光心为中轴线，操纵手柄进行x、y、z正负方向上的运动，在按动平移控制按钮后，相机识别手柄运动后靶标的图像，从而得到手柄相对于初始位置的移动位姿信息，
处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制；在按动旋转制按钮后，相机识别手柄运动后靶标的图像，从而得到手柄相对于初始位置的旋转位姿信息，处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制。
31.本发明提供的一种操作手柄的控制方法的有益效果与操作手柄的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄的示意图；
33.图2为图1中a部的放大示意图；
34.图3为图1中b部的放大示意图；
35.图4为本发明实施例提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄的剖面示意图；
36.图5为图4中c部的放大示意图；
37.图6为本发明实施例提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄的手柄本体与靶标配合部分的示意图。
38.附图标记说明：1、架体；11、容纳箱；12、避让孔；13、开关门；14、第一信号灯；15、第二信号灯；16、限位孔；17、照明灯；2、相机；3、手柄本体；31、容纳槽；32、过线通道；33、转轴；4、靶标；41、特征标记点；42、光源；43、凸出部；5、弹性部件；51、连接环；6、弹性罩体；7、平移控制按钮；8、旋转控制按钮；9、控制杆；91、连接结构；92、速度控制元件。
具体实施方式
39.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄进行说明。所述一种用于六自由度机器人的操作手柄，包括架体1、相机2、手柄本体3、靶标4以及处理模块；相机2竖直设置在架体1上，且镜头朝下设置；手柄本体3位于相机2的镜头的正下方，手柄本体3的顶部通过弹性部件5与架体1的顶部连接；靶标4连接在手柄本体3的顶部，靶标4上设有若干特征标记点41，以使相机2识别靶标4的空间位姿；处理模块与相机2电性连接；其中，相机2用于获取靶标4的图像，并传递到处理模块；处理模块用于解算相机2与靶标4之间的外部参数，并通过空间位姿算法计算得出靶标4此时的空间位姿，并将空间位姿信息传递到机械臂的控制器中，机械臂的末端执行器会根据该信息进行相应的运动；在手柄本体3操作完毕后，弹性部件5用于手柄本体3复位。空间位姿算法为现有技术，在此不再赘述。
41.本发明提供的一种用于六自由度机器人的操作手柄，与现有技术相比，处理模块用于解算相机2与靶标4之间的外部参数，并通过空间位姿算法计算得出所述靶标4此时的空间位姿，并将空间位姿信息传递到机械臂的控制器中，机械臂的末端执行器会根据该信息进行相应的运动。因此本技术中的控制方式能够进行机械臂控制规划处理，实现两类子系统的协调控制，这样可以使机械臂实时高质量地完成任务，从而提高操纵的灵活性和快
速性；便于机械臂根据实际使用环境作出相应调整。在处理模块生成靶标4空间位姿信息时，处理模块能够将空间位姿信息传递到机械臂的控制器，通过控制器控制机械臂的动作。
42.示例性的，如图1至图6所示，架体1的顶部具有容纳箱11，相机2固定在容纳箱11内；弹性部件5位于容纳箱11和手柄本体3顶部之间；容纳箱11的底部具有与相机2对齐的避让孔12，避让孔12位于靶标4的正上方；避让孔12的直径大于相机2镜头的直径。容纳箱11的一侧铰接有开关门13，通过转动开关门13能够打开或者封闭容纳箱11，开关门13与容纳箱11之间通过磁吸配合，磁吸配合为现有技术，在此不再赘述。通过上述设置，一方面便于将相机2安装在容纳箱11内，另一方面能够对相机2起到保护的作用，减少粘附在相机2镜头上的杂物，便于相机2对靶标4进行识别。相机2通过安装架固定在容纳箱11内。
43.示例性的，如图1至图6所示，弹性部件5包括塔簧，塔簧整体为圆台状的弹簧，因此塔簧具有大端和小端；塔簧的大端和小端均固定设有连接环51，塔簧大端的连接环51固定在容纳箱11的底部，塔簧小端的连接环51固定在手柄本体3的顶部；靶标4位于塔簧所围区域内。
44.另外，塔簧可以实现手柄本体3在多个自由度方向上的任意运动，并能够提供压力缓冲，减少手柄本体3出现移动出相机2的可识别区域之外的情况。
45.在一些实施例中，如图1至图6所示，架体1顶部和手柄本体3顶部之间设有弹性罩体6，弹性罩体6的两端分别与架体1和手柄本体3连接；靶标4的特征标记点41具有光源42，以便于相机2识别靶标4的特征标记点41。
46.需要说明的是，弹性罩体6的顶部固定在容纳箱11的底部，弹性罩体6的底部固定在手柄本体3的顶部；弹性罩体6能够罩住靶标4，一方面能够对靶标4起到保护的作用；另一方面弹性罩体6能够起到遮光的作用，减少外界杂光的干涉，便于相机2对靶标4运动后的位置进行定位。弹性罩体6能够随手柄本体3的运动而变形，因此弹性罩体6并不会干涉手柄本体3的运动。
47.示例性的，如图1至图6所示，手柄本体3的顶部具有容纳槽31，靶标4安装在容纳槽31内；手柄本体3内设有过线通道32，过线通道32一端与容纳槽31连通，另一端与手柄本体3的底部连通；通过设置过线通道32，能够使与光源42连接的电线穿过过线通道32，并最终从手柄本体3底部穿出，然后与电源连接。
48.在一些实施例中，如图1至图6所示，靶标4顶部的中间位置具有凸出部43，靶标4顶部于凸出部43的两侧均具有特征标记点41，且靶标4顶部的特征标记点41不对称设置；凸出部43的顶部也具有特征标记点41。光源42的顶部设有掩模版和散光涂层。
49.需要说明的是，传统平面靶标4的特征标志点是共面分布的，所以会出现位姿模糊问题。本发明设计采用非共面的立体靶标4进行位姿估算，本技术中的靶标4顶部与凸出部43的顶部相互平行设置，并且靶标4顶部的特征标记点41不对称设置，因此靶标4在空间运动时存在着固定的编号顺序，在标定过程中可以知晓深度以及纵向信息，识别精度较高。通过在光源42顶部设置掩模版和散光涂层，散光图层除了遮挡和吸收杂光之外，还能够发散光源42，使相机2成像时光源42更均匀，标志点特征更清晰。
50.在一些实施例中，如图1至图6所示，操作手柄还包括平移控制按钮7和旋转控制按钮8，平移控制按钮7和旋转控制按钮8均设置在架体1上；平移控制按钮7和旋转控制按钮8均与处理模块电性连接；其中，在按动平移控制按钮7时，处理模块将靶标4的空间平移位姿
信息传递到机械臂的控制器中；在按动旋转控制按钮8时，处理模块将靶标4的空间旋转位姿信息传递到机械臂的控制器中。平移位姿包括沿x、y、z三个方向的移动信息；旋转位姿包括绕x、y、z三个方向的转动信息。
51.需要说明的是，在需要控制机械臂的末端平移时，只需要按动一次平移控制按钮7，并操作手柄本体3即可。在需要控制机械臂的末端旋转时，只需要按动一次旋转控制按钮8，并操作手柄本体3即可。容纳箱11上设有第一信号灯14和第二信号灯15，第一信号灯14和第二信号灯15与处理模块电性连接。在按动平移控制按钮7时，第一信号灯14亮起，第二信号灯15熄灭；在按动旋转控制按钮8时，第一信号灯14熄灭，第二信号灯15亮起。
52.在一些实施例中，如图1至图6所示，架体1上设有控制杆9，控制杆9通过连接结构91与架体1连接；平移控制按钮7和旋转控制按钮8均设在控制杆9上；控制杆9上还设有速度控制元件92，速度控制元件92与处理模块电性连接；速度控制元件92用于将速度控制信息传递到处理模块，处理模块用于将速度控制信息传递到机械臂的控制器中，以改变机械臂末端执行器的运动速度。架体上还设有用于照亮控制杆9的照明灯17，在光线不佳的情况，通过开启照明灯17，能够使操作人员看清控制杆9上的平移控制按钮7和旋转控制按钮8，便于操作人员进行操作。
53.需要说明的是，速度控制元件92为现有技术，在此不再赘述。控制杆9上还设有急停开关(图中未示出)，急停开关与处理模块电性连接；在机械臂出现紧急情况时，通过按下控制杆9上的急停开关，能够使处理模块向机械臂的控制器传递停止信号，因此能够使得机械臂停止动作。
54.在一些实施例中，如图1至图6所示，手柄本体3的底部具有转轴33，架体1的底部具有与转轴33插接配合的限位孔16；其中，限位孔16的直径大于转轴33的直径，限位孔16的周壁用于周向限位转轴33。
55.需要说明的是，通过转轴33与限位孔16的配合，能够对手柄本体3的底部起到限位的作用，进而能够对手柄本体3整体的运动进行限位，同时也能够降低手柄本体3的摆动幅度，便于操作人员更好的操控手柄本体3。
56.基于同一发明构思，本技术还提供一种控制方法，包括上述用于六自由度机器人的操作手柄，控制方法包括：
57.在相机2固定在所述容纳箱11顶部后，相机2识别处于初始状态时，首先利用棋盘格靶标对相机2进行内部参数的标定，完成相机2内部参数的标定后，拍摄手柄初始状态下的第一靶标图像，并将第一靶标图像传递到处理模块。
58.靶标4跟随手柄本体3运动后，相机2识别运动后的第二靶标图像，并将第二靶标图像传递到处理模块，处理模块通过空间位姿解算方法得到相机2和运动至第二位置处靶标4之间的外部参数，并通过刚体变换得出靶标4此时的空间位姿；处理模块将手柄此时的空间位姿信息传递到机械臂的控制器，机械臂的控制器根据手柄的空间位姿信息完成对机械臂的操纵。
59.本发明提供的一种操作手柄的控制方法的有益效果与操作手柄的有益效果相同，在此不再赘述。
60.在一些实施例中，架体1上设有与处理模块电性连接的平移控制按钮7和旋转控制按钮8，控制方法还包括：
61.以相机2的光心为中轴线，操纵手柄进行x、y、z正负方向上的运动，在按动平移控制按钮7后，相机2识别手柄运动后靶标4的图像，从而得到手柄相对于初始位置的移动位姿信息，处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制；在按动旋转制按钮后，相机2识别手柄运动后靶标4的图像，从而得到手柄相对于初始位置的旋转位姿信息，处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，包括：架体；相机，竖直设置在所述架体上，且镜头朝下设置；手柄本体，位于所述相机的镜头的正下方，所述手柄本体的顶部通过弹性部件与所述架体的顶部连接；靶标，连接在所述手柄本体的顶部，所述靶标上设有若干特征标记点，以使所述相机识别所述靶标的空间位姿；以及处理模块，与所述相机电性连接；其中，所述相机用于获取所述靶标的图像，并传递到所述处理模块；所述处理模块用于解算相机与靶标之间的外部参数，并通过空间位姿算法计算得出所述靶标此时的空间位姿，并将空间位姿信息传递到机械臂的控制器中，机械臂的末端执行器会根据该信息进行相应的运动；在所述手柄本体操作完毕后，所述弹性部件用于所述手柄本体复位。2.如权利要求1所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述架体顶部和所述手柄本体顶部之间设有弹性罩体，所述弹性罩体的两端分别与所述架体和所述手柄本体连接；所述靶标的特征标记点具有光源，以便于相机识别所述靶标的特征标记点。3.如权利要求2所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述靶标顶部的中间位置具有凸出部，所述靶标顶部于所述凸出部的两侧均具有特征标记点，且所述靶标顶部的特征标记点不对称设置；所述凸出部的顶部也具有特征标记点。4.如权利要求2所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述光源的顶部设有掩模版和散光涂层。5.如权利要求1所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，操作手柄还包括：平移控制按钮和旋转控制按钮，均设置在所述架体上；所述平移控制按钮和所述旋转控制按钮均与所述处理模块电性连接；其中，在按动平移控制按钮时，所述处理模块将所述靶标的空间平移位姿信息传递到机械臂的控制器中；在按动旋转控制按钮时，所述处理模块将所述靶标的空间旋转位姿信息传递到机械臂的控制器中。6.如权利要求5所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述架体上设有控制杆，所述控制杆通过连接结构与所述架体连接；所述平移控制按钮和所述旋转控制按钮均设在所述控制杆上；所述控制杆上还设有速度控制元件，所述速度控制元件与所述处理模块电性连接；所述速度控制元件用于将速度控制信息传递到处理模块，所述处理模块用于将速度控制信息传递到机械臂的控制器中，以改变机械臂末端执行器的运动速度。7.如权利要求1所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述手柄本体的底部具有转轴，所述架体的底部具有与所述转轴插接配合的限位孔；其中，所述限位孔的直径大于所述转轴的直径，所述限位孔的周壁用于周向限位所述转轴。8.如权利要求1所述的一种用于六自由度机器人的操作手柄，其特征在于，所述架体的顶部具有容纳箱，所述相机固定在所述容纳箱内；所述弹性部件位于所述容纳箱和所述手
柄本体顶部之间；所述容纳箱的底部具有与所述相机对齐的避让孔，所述避让孔位于所述靶标的正上方。9.一种操作手柄的控制方法，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的用于六自由度机器人的操作手柄，控制方法包括：在相机固定在容纳箱顶部后，相机识别处于初始状态时，首先利用棋盘格靶标对相机进行内部参数的标定，完成相机内部参数的标定后，拍摄手柄初始状态下的第一靶标图像，并将第一靶标图像传递到处理模块；靶标跟随手柄本体运动后，相机识别运动后的第二靶标图像，并将第二靶标图像传递到处理模块，处理模块通过空间位姿解算方法得到相机和运动至第二位置处靶标之间的外部参数，并通过刚体变换得出靶标此时的空间位姿；处理模块将手柄此时的空间位姿信息传递到机械臂的控制器，机械臂的控制器根据手柄的空间位姿信息完成对机械臂的操纵。10.如权利要求9所述的一种操作手柄的控制方法，其特征在于，架体上设有与处理模块电性连接的平移控制按钮和旋转控制按钮，控制方法还包括：以相机的光心为中轴线，操纵手柄进行x、y、z正负方向上的运动，在按动平移控制按钮后，相机识别手柄运动后靶标的图像，从而得到手柄相对于初始位置的移动位姿信息，处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制；在按动旋转制按钮后，相机识别手柄运动后靶标的图像，从而得到手柄相对于初始位置的旋转位姿信息，处理模块通过该信息反馈给机械臂控制器来完成对机械臂末端执行器各个方向的运动控制。

技术总结
本发明提供了一种用于六自由度机器人的操作手柄及控制方法，属于机器人操控设备技术领域，包括架体、相机、手柄本体、靶标以及处理模块；相机竖直设置在架体上，且镜头朝下设置；手柄本体位于相机的镜头的正下方，手柄本体的顶部通过弹性部件与架体的顶部连接；靶标连接在手柄本体的顶部，靶标上设有若干特征标记点，以使相机识别靶标的空间位姿；处理模块与相机电性连接；在操纵手柄进行多自由度的运动时，通过相机识别手柄上靶标空间位姿的方式，得到手柄的偏移位置并反馈给处理模块，进行机械臂控制规划处理，实现两类子系统的协调控制，这样可以使机械臂高质量地实时完成任务，从而提高操纵的灵活性和快速性。从而提高操纵的灵活性和快速性。从而提高操纵的灵活性和快速性。


技术研发人员：周京博 张宇翔 李铁军 李玥华 杜仁杰
受保护的技术使用者：河北博柯莱智能装备科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/13