工業(yè)機(jī)器人研究 機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文

1、如今，工業(yè)機(jī)器人的使用已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化程度高低的重要標(biāo)志之一。本文針對(duì)工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了研究。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是一切機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，本文對(duì)此進(jìn)行了深入淺出的研究。對(duì)機(jī)器人位置和姿態(tài)的表示及齊次坐標(biāo)變換進(jìn)行了闡述，另外機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的正解和逆解也是影響機(jī)器人研究的重要內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是噴漆和焊接。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在噴漆中的應(yīng)用，本文使用Robotstudio軟件，仿真兩臺(tái)IRB5400噴漆機(jī)器人進(jìn)行噴涂，通過(guò)仿真證明了開(kāi)發(fā)程序的合理性和有效性，驗(yàn)證了工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中起到的不可估量的重要作用。工業(yè)機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用，在對(duì)機(jī)器人語(yǔ)言的特點(diǎn)和系

2、統(tǒng)構(gòu)成分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用了混合式弧焊機(jī)器人語(yǔ)言。該語(yǔ)言具有弧焊機(jī)器人所必需的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和焊接等相關(guān)功能。不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)程序的手動(dòng)編寫(xiě),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了離線編程系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)以及示教編程器與機(jī)器人控制系統(tǒng)的通用接口。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；研究；噴漆；焊接AbstractNowadays, the use of industrial robots has become one of the evaluations of automation degree among countries. Based on the application in the production of indust

3、rial robots, industrial robots are studied.Robot kinematics is the foundation of all robots. this paper studies the method. On the position and gesture and homogeneous coordinate transform, another robot positive solution and inverse robot research are the important content.Industrial robots are app

4、lied in practical production is the largest paint and welding.For industrial robots in paint application, this paper uses Robotstudio software simulation IRB5400 paint spraying robots, through the simulation proves the rationality and validity of the development process and verified in the actual pr

5、oduction of industrial robot plays an important role in the immeasurable.In the application of industrial robot welding on the characteristics of the language of robot and based on the analysis of system structure, using a hybrid arc welding robot language. The language is necessary for arc welding

6、robot control and related functions. Not only can realize the manual written procedures robot off-line programming, and realize the system, remote operation system and teaching programming and robot control system of common interface.Keywords: Industrial robots, Research, Paint, Welding目 錄摘要IAbstrac

7、tII目錄III第1章緒論1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介1在噴漆中的應(yīng)用2在焊接中的應(yīng)用4工業(yè)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究狀況7本課題研究的內(nèi)容8第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)9位置和姿態(tài)的表示9齊次坐標(biāo)變換11機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的解12運(yùn)動(dòng)學(xué)正解13運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解16第3章噴漆機(jī)器人研究20機(jī)器人語(yǔ)言概述20噴漆機(jī)器人應(yīng)用程序設(shè)計(jì)21噴漆機(jī)器人離線編程的主程序23程序結(jié)果分析24第4章焊接機(jī)器人研究274.1 混合式弧焊機(jī)器人編程語(yǔ)言284.1.1 HAW RL指令集及其說(shuō)明294.1.2 HAW RL的變量314.1.3 HAW RL的程序結(jié)構(gòu)314.1.4 HAW RL編程實(shí)例31結(jié)論34第5章總結(jié)36致謝37參考文獻(xiàn)38第1章 緒

8、論 進(jìn)入 21世紀(jì)，機(jī)器人已成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的重要工具，它標(biāo)志著工業(yè)的現(xiàn)代化程度。機(jī)器人學(xué)是一門(mén)高度交叉的前沿學(xué)科，引起許多不同專(zhuān)業(yè)背景的人們的興趣，如機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、人類(lèi)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、控制論與控制工程學(xué)、人工智能、社會(huì)學(xué)等。機(jī)器人學(xué)包含機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人智能化等領(lǐng)域，本文以工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用為主線，對(duì)工業(yè)機(jī)器人作了較深入的研究與討論 。工業(yè)機(jī)器人發(fā)展至今，已經(jīng)成為一門(mén)新學(xué)科、一項(xiàng)新技術(shù)，也是增長(zhǎng)最快的新產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)1999年世界機(jī)器人統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1999年底全世界安裝的機(jī)器人數(shù)達(dá)S1，500臺(tái)，比1998年增加了15%，而市場(chǎng)價(jià)值

9、為51億美元，比1998年下降了7%，這說(shuō)明單臺(tái)機(jī)器人的價(jià)格在呈下降趨勢(shì)，有利于機(jī)器人的應(yīng)用和推廣?，F(xiàn)役工業(yè)機(jī)器人總數(shù)為742，500臺(tái)，其中日本占54%，美國(guó)占12.5%，德國(guó)占11%。預(yù)計(jì)到2003年，世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)達(dá)892，200臺(tái)。擁有工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的多少已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化程度高低的重要標(biāo)志之一。1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世后頭十年，從20世紀(jì)60年代初期到70年代初期，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，許多研究單位和公司所作的努力均未獲得成功。進(jìn)入20世紀(jì)70年代之后，人工智能學(xué)界開(kāi)始對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生濃厚興趣，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的出現(xiàn)與發(fā)展為人工智能的發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)。隨著

10、 自動(dòng)控制理論、電子計(jì)算機(jī)和航天技術(shù)的迅速發(fā)展，到了70年代中期，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。到 70年代末期，工業(yè)機(jī)器人有了更大的發(fā)展。進(jìn)入80年代后，機(jī)器人生產(chǎn)繼續(xù)保持 70年代后期的發(fā)展勢(shì)頭，到 80年代中期機(jī)器人制造業(yè)成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟(jì)部門(mén)之一。1995年以來(lái)，世界機(jī)器人數(shù)量逐年增加，增長(zhǎng)率也較高。到2000年，服役機(jī)器人約100萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人學(xué)仍然維持較好的發(fā)展勢(shì)頭，滿懷希望地跨入21世紀(jì)。 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等均在各個(gè)工業(yè)部門(mén)有了較為廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)部門(mén)應(yīng)用機(jī)器人的目的主要是削減人員編制、提高工作效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量。因?yàn)闄C(jī)

11、器人具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):1)生產(chǎn)過(guò)程的幾乎完全自動(dòng)化。2)生產(chǎn)設(shè)備的高度適應(yīng)能力。計(jì)算機(jī)控制的噴漆機(jī)器人早在 1975年就投人運(yùn)用，它可避免危害工人健康，提高經(jīng)濟(jì)效益和綜合質(zhì)量。由于具有可編程能力，噴漆機(jī)器人能適于各種應(yīng)用場(chǎng)合。例如，在汽車(chē)工業(yè)上，可把噴漆機(jī)器人用于對(duì)下車(chē)架和前燈區(qū)域、輪孔、窗口、下承板、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、門(mén)面以及行李箱等部分進(jìn)行噴漆.由于噴漆機(jī)器人能夠代替人在危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境下進(jìn)行噴漆作業(yè)，所以噴漆機(jī)器人正在獲得日益廣泛的應(yīng)用。焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來(lái)越高的要求，一般工人己難以勝任這一工作;此外，焊接

12、時(shí)的火花及煙霧等，對(duì)人體造成危害，因而，焊接過(guò)程的完全自動(dòng)化己成為重要的研究課題。應(yīng)用焊接機(jī)器人即是實(shí)現(xiàn)焊接完全自動(dòng)化的一個(gè)重要方法。在噴漆中的應(yīng)用噴漆機(jī)器人是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人。中國(guó)研制出幾種型號(hào)的噴漆機(jī)器人并投入使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有23個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類(lèi)似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸

13、入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車(chē)、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門(mén)。噴漆機(jī)器人在國(guó)外早已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)等產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線上，近年來(lái)國(guó)內(nèi)亦擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人如南航研制的PR-1型噴漆機(jī)器人。在大規(guī)模的涂裝生產(chǎn)線上，用于噴涂工件表面的噴槍通常被置于機(jī)器人的手臂上，即由噴漆機(jī)器人去完成對(duì)工件的噴涂作業(yè)。用于規(guī)劃噴漆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的一種典型方法是人工示教法，即由工人握住安裝有固定噴槍的機(jī)器人前臂進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由控制機(jī)器人的計(jì)算機(jī)記錄下機(jī)器人各關(guān)節(jié)參數(shù)的變化，使得機(jī)器人隨后能獨(dú)立地重

14、復(fù)沿原先的軌跡運(yùn)動(dòng)。盡管這種方法是簡(jiǎn)單的，且己被廣泛利用，但存在不少缺點(diǎn): a)噴槍軌跡是憑人工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法獲得的，而噴涂效果與物體表面形狀、噴槍參數(shù)等諸因素有關(guān)。因此按此方法無(wú)法擇出最佳噴涂路徑; b)在示教過(guò)程中機(jī)器人不能被使用，人類(lèi)始終處于有害的環(huán)境中; c)人工費(fèi)用較高且缺少熟練勞動(dòng)力;d)該方法通用性較差，對(duì)于外形復(fù)雜且不規(guī)則的涂件達(dá)不到預(yù)期效果。以上問(wèn)題是基于這樣的事實(shí)，機(jī)器人被用于示教的工作場(chǎng)所通常是有害的環(huán)境，而對(duì)于人工操作者而言，給機(jī)器人示教一條優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)軌跡是非常困難的。與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)施直接相關(guān)的不僅僅是油漆的消耗、噴涂時(shí)間，而且與獲得一致的涂層厚度相關(guān)。當(dāng)物體形狀變得

15、復(fù)雜和涂層容許偏差要求嚴(yán)格時(shí)，示教機(jī)器人一條優(yōu)化路徑對(duì)人來(lái)講是非常困難的。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)保護(hù)的日益重視，以及適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的需要，同時(shí)也為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，人們希望改變以往的人工示教法。隨著近20年來(lái)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)方式從液壓驅(qū)動(dòng)改變?yōu)殡娏︱?qū)動(dòng);噴漆速度、絕對(duì)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤精度的顯著提高:加速過(guò)程日趨平穩(wěn)快速;離線編程能力從無(wú)到有。同時(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，特別是CAD/CAM技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，以及人們對(duì)機(jī)器人離線編程興趣的與日俱增，自然產(chǎn)生了要把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于噴漆機(jī)器人的構(gòu)想。于是人們開(kāi)始尋求噴漆機(jī)器人離線編程方法，期望利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找出能產(chǎn)生最佳噴

16、涂效果的噴槍運(yùn)動(dòng)軌跡，再將這條軌跡最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序。在離線編程過(guò)程中，機(jī)器人規(guī)劃被分開(kāi)來(lái)進(jìn)行，因此機(jī)器人能連續(xù)而重復(fù)地執(zhí)行它現(xiàn)在的工作。離線編程主要的好處是: a)減少停工待料期以及給機(jī)器人極大的能力: b)通過(guò)仿真更好地理解過(guò)程; c)減少對(duì)昂貴設(shè)備的破壞以及對(duì)人工操作者危害的風(fēng)險(xiǎn)，離線編程可以通過(guò)匯編語(yǔ)言或者利用建立在圖形基礎(chǔ)上的仿真和編程系統(tǒng)來(lái)完成。匯編語(yǔ)言由于其與機(jī)器人易于交流，因而花費(fèi)少，并提供了好的編程設(shè)備以及利于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。但是不足的是它提供了很少的甚至沒(méi)有的可視化特征以及要求高水平的編程人員。而另一方面，建立在圖形基礎(chǔ)上的仿真和編程系統(tǒng)用可視化就可解決上述問(wèn)題并

17、提供了一個(gè)高級(jí)使用者界面，低水平的編程人員就足夠操作這些系統(tǒng)。在噴漆機(jī)器人離線編程領(lǐng)域，人們已進(jìn)行了各種不同的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成果: 20世紀(jì)80年代初，美國(guó)McAut。公司研制成功四套用于機(jī)器人的軟件模塊:PLACE. BUILD. COMMAND. ADJUST，它們能夠在機(jī)器人工作車(chē)間安裝之前，先對(duì)那兒的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行離線化仿真和檢驗(yàn)。1984年，人們提出了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行離線編程系統(tǒng)，并設(shè)想用計(jì)算機(jī)圖形化仿真機(jī)器人的工作過(guò)程。1986年，A. Klein把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于噴漆機(jī)器人，并提出基于CAD的噴漆機(jī)器人離線編程系統(tǒng)i。同樣，借助此系統(tǒng)用戶可以交互式設(shè)計(jì)和仿真噴槍與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡

18、。此外，B.Bidanda等人在 1993年也提出與此類(lèi)似的噴釉機(jī)器人離線編程系統(tǒng)(OLP).1989年，CDuelen等人進(jìn)一步探討了離線編程技術(shù)，將之用于靜電噴涂中，且提出表面為雕塑面的工件上電場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。在焊接中的應(yīng)用自1962美國(guó)推出世界上第一臺(tái)Unimate型和Versatra型工業(yè)機(jī)器人以來(lái)截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000套，這其中大約有半數(shù)是焊接機(jī)器人。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需求不斷提高，以焊接機(jī)器人為核心的焊接自動(dòng)化技術(shù)己有了長(zhǎng)足的發(fā)展。從60年代誕生和發(fā)展到現(xiàn)在，焊接機(jī)器人可大致分為三代。第一代

19、是指基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人，由于其具有操作簡(jiǎn)便、不需要環(huán)境模型、示教時(shí)可修正機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差等特點(diǎn)，在焊接生產(chǎn)中得到大量使用;第二代是指基于一定傳感器信息的離線編程焊接機(jī)器人，得益于焊接傳感器技術(shù)和離線編程技術(shù)(OLP)的不斷改進(jìn)，這類(lèi)機(jī)器人現(xiàn)已進(jìn)入應(yīng)用研究的階段;第三代是指裝有多種傳感器，接收作業(yè)指令后能根據(jù)客觀環(huán)境自行編程的高度適應(yīng)性智能焊接機(jī)器人，由于人工智能技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，這一代機(jī)器人正處于試驗(yàn)研究階段。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使焊接機(jī)器人由單一的示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化方向發(fā)展將成為科研人員追求的目標(biāo)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的報(bào)告，在汽車(chē)工業(yè)中，日本每

20、萬(wàn)名工人占有909臺(tái)機(jī)器人，意大利相應(yīng)密度為400臺(tái)，美國(guó)為370臺(tái)，德國(guó)為340臺(tái)，瑞典為300臺(tái)，法國(guó)為220臺(tái)，英國(guó)為150臺(tái)，其中分布在汽車(chē)工業(yè)的機(jī)器人平均占有60%80%。世界大型汽車(chē)公司特別注重焊接機(jī)器人的技術(shù)開(kāi)發(fā)，如美國(guó)通用汽車(chē)公司“北美制造中心”的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正在從事車(chē)身焊接的應(yīng)用研究。目前，國(guó)際上大型汽車(chē)制造公司已經(jīng)普遍地采用了焊接機(jī)器人，例如德國(guó)OPEL(歐寶)汽車(chē)公司一條年產(chǎn)30萬(wàn)輛焊接生產(chǎn)線上使用了600多臺(tái)焊接機(jī)器人。日本SUZUKI(鈴木)一條年產(chǎn)30萬(wàn)輛的焊接線上使用了多達(dá)670臺(tái)焊接機(jī)器人。焊接技術(shù)是汽車(chē)制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，隨著許多焊接技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性

21、的提高，帶有智能化、數(shù)字化、逆變技術(shù)的焊機(jī)將更廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)中。激光拼焊板技術(shù)、激光復(fù)合焊技術(shù)、中頻電阻點(diǎn)焊技術(shù)、恒熱控制電阻點(diǎn)焊技術(shù)、磁脈沖焊接技術(shù)、汽車(chē)薄板MAG焊技術(shù)、壓鉚連接技術(shù)和膠接技術(shù)將與機(jī)器人有機(jī)結(jié)合，在汽車(chē)制造中得到更廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的焊接機(jī)器人有點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人等。焊接作為機(jī)械制造業(yè)中僅次于裝配加工和切削加工的第三大加工作業(yè)，對(duì)其進(jìn)行機(jī)器人柔性加工技術(shù)及其相關(guān)的控制器PC化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的應(yīng)用研究己成為焊接自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。加入WTO以后，中國(guó)已處于市場(chǎng)全球化的經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，這為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇，也使制造業(yè)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代制造業(yè)

22、尤其是汽車(chē)制造業(yè)中，焊接技術(shù)作為重要的加工手段，占有非常重要的地位。焊接機(jī)器人在提高焊接質(zhì)量、降低焊接成本、實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化方面扮演著重要角色。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人示教編程工作方式有以下不足： (1) 機(jī)器人在線示教時(shí)，它不是生產(chǎn)性的，且任務(wù)一旦改變則要重新編程，不適應(yīng)當(dāng)今小批量、多品種的柔性生產(chǎn)的需要； (2) 復(fù)雜的機(jī)器人作業(yè)，如弧焊、裝配任務(wù)很難用示教方式完成； (3) 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的失誤會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人間及機(jī)器人與固定物的相撞，對(duì)生產(chǎn)具有破壞性； (4) 編程者安全性差，尤其是不適合太空、深水、核設(shè)施維修等極限環(huán)境下的焊接工作。 離線編程技術(shù)的出現(xiàn)為上述問(wèn)題的解決提出了可供選擇的方案。與傳統(tǒng)的在線示

23、教編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 減少機(jī)器人不工作的時(shí)間； (2) 使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境； (3) 便于和 CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)合，做到 CAD/CAM/Robotics 一體化； (4) 可對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程； (5) 便于修改機(jī)器人程序。 根據(jù)目前我國(guó)焊接機(jī)器人在工廠的應(yīng)用情況和近期發(fā)展需要，焊接機(jī)器人的離線編程與仿真技術(shù)是應(yīng)當(dāng)重視的新技術(shù)之一。我國(guó)的焊接機(jī)器人數(shù)量還不很多，產(chǎn)品改型也不快，許多工廠在購(gòu)置焊接機(jī)器人時(shí)都是由機(jī)器人供應(yīng)商事先把機(jī)器人的程序編好交給工廠使用。因此在使用初期編程占用機(jī)時(shí)的矛盾并不突出。目前已經(jīng)有些工廠希望機(jī)器人能焊接更多的新工件，這必須停止生產(chǎn)才

24、能對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行在線編程。這種生產(chǎn)與編程的矛盾將會(huì)越來(lái)越大。因此，目前對(duì)離線編程技術(shù)的需求呼聲已日益增強(qiáng)。 弧焊是機(jī)器人焊接的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是機(jī)器人編程比較困難的場(chǎng)合?；『笝C(jī)器人離線編程已經(jīng)成為我國(guó)機(jī)器人焊接企業(yè)界需求的重點(diǎn)。 目前商品化的離線編程軟件，如 ROBCAD、IGRIP、WORKSPACE等，紛紛推出了基于 Windows 的離線編程系統(tǒng)。這些軟件的價(jià)格昂貴，并且軟件尚缺乏對(duì)弧焊特殊應(yīng)用的支持。對(duì)于 IGRIP，用戶在編程序時(shí)，很多時(shí)候還必須通過(guò)圖形示教方式建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。這對(duì)于大型工件或復(fù)雜路徑的編程，工作量是相當(dāng)大的。 目前機(jī)器人的編程方式仍以示教編程為主，但在某些

25、領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。離線編程的實(shí)用化目前已經(jīng)成為院校和科研院所的研究重點(diǎn)。隨著焊接機(jī)器人在我國(guó)的推廣以及其他領(lǐng)域離線編程的成功應(yīng)用，我國(guó)企業(yè)對(duì)焊接機(jī)器人離線編程技術(shù)的呼聲已日益增強(qiáng)。 工業(yè)機(jī)器人自從60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)了30多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中主要的機(jī)電一體化設(shè)備。在制造業(yè)中采用機(jī)器人，可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和改善勞動(dòng)條件。在現(xiàn)代化的汽車(chē)工業(yè)中，成批的點(diǎn)焊、噴漆機(jī)器人已經(jīng)成為不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。很多工業(yè)化國(guó)家采用工業(yè)機(jī)器人改造制造工業(yè)己經(jīng)取得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條

26、件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò)大了人類(lèi)改造自然的能力，尤其是近些年來(lái)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系。本文的主要目的是通過(guò)本課題的研究，掌握運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的基本方法、基本理論和基本知識(shí)。學(xué)為所用，應(yīng)用到工作中。雖然工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)機(jī)械工業(yè)，特別是大型精密機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比還不普及，設(shè)備和

27、技術(shù)手段都比較落后，但隨著企業(yè)實(shí)力的增強(qiáng)及技術(shù)的進(jìn)步，一定會(huì)有越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)器人服務(wù)于高精尖的機(jī)械行業(yè)，為我國(guó)目前的大型飛機(jī)和航空母艦兩個(gè)重大項(xiàng)目作出重要貢獻(xiàn)。因此，研究工業(yè)機(jī)器人及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)具有非常重要而現(xiàn)實(shí)的意義。我國(guó)的機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷經(jīng)30年的歷程。前10年處于研究單位自行開(kāi)展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五”、“八五”、“九五”機(jī)器人技術(shù)國(guó)家攻關(guān)、“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面:諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究，

28、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開(kāi)發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。在機(jī)器人的應(yīng)用工程方面:目前，國(guó)內(nèi)外己有大量的焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上。在我國(guó)應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國(guó)產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CL00S、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的工GM公司。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。這些焊接機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代的示教再現(xiàn)型

29、。功能較為單一，工作前要求操作者通過(guò)示教盒控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，采用逐點(diǎn)示教的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焊槍空間位姿的定位和記錄。由于焊接路徑和焊接參數(shù)是根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置的，在焊接時(shí)缺少外部信息傳感和實(shí)時(shí)調(diào)整控制的功能，這類(lèi)焊接機(jī)器人對(duì)作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接時(shí)缺乏“柔性”，表現(xiàn)出下述明顯缺點(diǎn):(1)不具備適應(yīng)焊接對(duì)象和任務(wù)變化的能力;(2)對(duì)復(fù)雜形狀的焊縫編程效率低，占用大量生產(chǎn)時(shí)間;(3)不能對(duì)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)控制，無(wú)法滿足對(duì)復(fù)雜焊件的高質(zhì)量和高精度焊接要求。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在總體技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距。例如，迄今為止我們尚未形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。再如，七、八十年代國(guó)外開(kāi)始從

30、事工程機(jī)械的機(jī)電液一體化研發(fā)工作時(shí)，國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行機(jī)械式控制向機(jī)械一液壓控制的轉(zhuǎn)變。目前總體技術(shù)僅相當(dāng)于國(guó)外八十年代初的水平。在制造工藝與裝備方面，我國(guó)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)相比也有較大的差距。目前我國(guó)尚不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的制造裝備，國(guó)際上先進(jìn)的制造工藝和裝備在我國(guó)企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得相當(dāng)少。1.3本課題研究的內(nèi)容本課題針對(duì)工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行了闡述。同時(shí)著重講述了工業(yè)機(jī)器人在噴漆和焊接兩個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人程序語(yǔ)言做了重點(diǎn)研究。第2章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是專(zhuān)門(mén)研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而在研究中不考慮產(chǎn)生的力和力矩，它涉及到運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度、加速度和位置變量對(duì)

31、時(shí)間的高階導(dǎo)數(shù)。實(shí)際上，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究有兩類(lèi)問(wèn)題:一類(lèi)是給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度，要求計(jì)算機(jī)器人手爪的位置與姿態(tài)問(wèn)題，稱(chēng)為正向運(yùn)動(dòng)學(xué);另一類(lèi)是己知手爪的位置與姿態(tài)求機(jī)器人對(duì)應(yīng)于這個(gè)位置與姿態(tài)的全部關(guān)節(jié)角，稱(chēng)為逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。顯然，正問(wèn)題是簡(jiǎn)單的，解是唯一的，但逆問(wèn)題的解是復(fù)雜的，而且具有多解性，這給問(wèn)題求解帶來(lái)困難，往往需要一些技巧與經(jīng)驗(yàn)。 在機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系建立中，設(shè)第i關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軸連接桿件i-1和桿件i，見(jiàn)圖2-1機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖。沿桿件i-1和桿件i分別作i軸的垂線，則這兩條垂線間的距離di即決定了兩桿件的相對(duì)距離。兩條垂線的夾角i即為兩桿件的夾角。di和i這兩個(gè)量就決定了桿件i-1和

32、桿件1的相對(duì)位置關(guān)系。桿件i與前后兩個(gè)桿件i-1和i +1相連，因此，在桿件i兩端各有一個(gè)關(guān)節(jié)軸，即i軸和i+1軸。設(shè)ai為軸i和軸i +l之間的距離，i為它們之間的夾角，則ai即為桿件i的長(zhǎng)度，i即為桿件i的旋轉(zhuǎn)角，它決定了桿件i的結(jié)構(gòu)。因此，操作機(jī)的每個(gè)桿件都可以用di， i， ai，i四個(gè)參數(shù)來(lái)表示，這就決定了機(jī)器人每一個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)。 圖2-1機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖工業(yè)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的建立依據(jù)下面三條原則: 1) Zi-1坐標(biāo)軸是沿著i關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸。是機(jī)器人處于初始位姿(即操作零位)，由基座開(kāi)始先設(shè)立固定的基坐標(biāo)系。其Z。的正向與重力加速度反向，原點(diǎn)O在第一關(guān)節(jié)軸在線，x0位

33、于機(jī)器人作業(yè)空間的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)。 2) Xi軸垂直于Zi-1軸并指向離開(kāi)Zi-1軸的方向。盡量使Xi與Xi-1同向。 3) Yi軸的方向按右手定則來(lái)確定。 其中0號(hào)坐標(biāo)系在基坐上的位置和方向可以任選，只要使Zo軸沿著第一個(gè)關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)即可，而最后一個(gè)坐標(biāo)系(第6系)可放在端部的任何部位，只要x6與z5軸垂直即可。 根據(jù)D-H表示法，桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)ai ，i和相對(duì)位置參數(shù)dii按下述方法求得: 1) i為從xi繞zi軸(按右手規(guī)則)的關(guān)節(jié)角(逆時(shí)針為正)； 2) di為從xi-1到xi沿zi測(cè)量的距離； 3) ai-1為從zi-1軸到zi沿xi-1測(cè)量的距離； 4） ai-1為從:zi-1軸到zi繞

34、xi-1旋轉(zhuǎn)的角度(逆時(shí)針為正)。(1)位置描述. 建立了坐標(biāo)系之后，我們就能用一個(gè)位置矢量來(lái)確定該空間的任意點(diǎn)。（式2-1）(2)方位描述 為了研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作，不僅要表示空間某一點(diǎn)的位置，而且需要表示物體的方位。物體的方位可由某個(gè)固連于此物體的坐標(biāo)系描述。為了規(guī)定空間某剛體B的方位，設(shè)置一直角坐標(biāo)系(B與此剛體固接。用坐標(biāo)系(B)的三個(gè)單位主矢量相對(duì)于參考系A(chǔ))的方向余弦組成的矩陣來(lái)表示剛體的方位。（式2-2）對(duì)應(yīng)于軸x,y,z著轉(zhuǎn)角為。的旋轉(zhuǎn)變換，其變換矩陣分別為:（式2-3）（式2-4）（式2-5） 式中，s表示sin, c表示cos。以后將一律采用此規(guī)定。已知一直角坐標(biāo)系中的某

35、一點(diǎn)坐標(biāo)，那么該點(diǎn)在另一直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可通過(guò)齊次坐標(biāo)變換求得。 （式2-6）其中，4X1的列矢量表示三維空間的點(diǎn)，稱(chēng)為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，可把上式寫(xiě)成矩陣式： （式2-7）其中，齊次變換矩陣是4X4的方陣，具有如下形式： （式2-8） 圖2-2綜合的表示了平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。（見(jiàn)圖2-2）平移齊次變換為： （式2-9）旋轉(zhuǎn)齊次變換為：（式2-10） （式2-11）（式2-12）式中，Rot表示旋轉(zhuǎn)變換。 2.3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的解無(wú)論用什么方法，建立起機(jī)器人坐標(biāo)系之后，可以得到幾個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣的積: (對(duì)具有個(gè)自由度機(jī)器人)，矩陣表示了機(jī)器人手端坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài): 則為機(jī)器人正

36、向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解。 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立與求解是一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。建立桿件的D-H坐標(biāo)系，就可以確定聯(lián)系坐標(biāo)系和坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。根據(jù)齊次坐標(biāo)變換理論，可知工具坐標(biāo)系是由從基坐標(biāo)系到各個(gè)桿件坐標(biāo)系之間的變換得到的，即：（式213）這就是機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)方程，下面就用DH方法求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。根據(jù)齊次變換原理和位姿理論得到各關(guān)節(jié)的位置矩陣如下：（1）繞軸轉(zhuǎn)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式214）（2）繞,軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，沿軸移動(dòng)，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式215）（3）繞軸移動(dòng)，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式216）（4）沿軸移動(dòng)，沿軸移動(dòng)，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式217

37、）（5）繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式218）（6）繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，繞幾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的坐標(biāo)變換矩陣為：（式219）（7）繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，沿軸移動(dòng)，沿軸移動(dòng)的坐標(biāo)變換矩陣為：(僅以基位姿為參照與手部位姿變換得來(lái))（式220）將以上連桿的齊次變換矩陣相乘就得到操作臂變換矩陣（式221）可以看出是，的函數(shù)。（式222）（式223）（式224）0 （式225）上式中分別表示。當(dāng)將各關(guān)節(jié)角的初始位置，即=, =, =, =，=，=的值代入上還表達(dá)式中，可得:=0,=0,=1, =l,=0，=0，=0，=1，0，0，與以基位姿為參照手部位姿的矩陣相同。即運(yùn)動(dòng)方程確實(shí)是正確的。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解機(jī)器人

38、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制中占有非常重要的地位，直接影響著控制的快速性與準(zhǔn)確性。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題就是根據(jù)己知的末端執(zhí)行器的位姿(位置和姿態(tài))，求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題即為運(yùn)動(dòng)反解，討論上述運(yùn)動(dòng)方程的反向問(wèn)題，即求由手坐標(biāo)系的笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間(即所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角)的逆變換，以求解關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角i 。 1、求解關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)角1 由式3-6兩邊同左乘以可得 即： = （式2-26）令矩陣方程式(2-26 )兩端的元素對(duì)應(yīng)相等，可得: -pxs1 + pyc1 = 0 tan1 =s1/c1 =py/px 求得1 = arctan(py/px)由此可知1 有唯一解。 2、求解關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)角2 由式

39、2-26兩邊同左乘以可得 （式2-27） 令式2-27兩端元素相等可得 a3c3 - d4s3 + a2 = c2( pxc1 + pys1 ) - pzs2 - a1c2 a3c3 + d4s3 = -s2( pxc1 + pys1 ) - pzc2 + a1s2 （式2-28）求得：2 =arctan - arctan其中由上式中第二項(xiàng)的正負(fù)因子可知2有兩個(gè)解。 3、求解關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)角3 令上式中 k3=c2(pxc1+pys1)-pzs2-a1c2-a23= 其中 由上式中第二項(xiàng)的正負(fù)因子可知3有兩個(gè)解 4、求解關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角4 用同時(shí)左乘式2-27可得： （式2-29）= （式2-30）綜合解

40、得4的封閉解 5、求解關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)角5 解式2-30得 由上式中第二項(xiàng)的正負(fù)因子可知5有兩個(gè)解。 6、求解關(guān)節(jié)6轉(zhuǎn)角6 解式2-30得 知6有封閉解綜上所述，2、3、5 均有兩組不同的解，故此工業(yè)機(jī)器人對(duì)于同一種手部位姿可能存在著8種關(guān)節(jié)角組合，即：逆運(yùn)動(dòng)有非唯一解。第3章噴漆機(jī)器人研究機(jī)器人編程就是針對(duì)機(jī)器人為完成某項(xiàng)作業(yè)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。早期的工業(yè)機(jī)器人，由于完成的作業(yè)比較簡(jiǎn)單，作業(yè)內(nèi)容改變不頻繁，采用固定程序控制或示教再現(xiàn)方法即可滿足要求，不存在語(yǔ)言問(wèn)題。但隨著機(jī)器人本身的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能日益完善以及機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容愈加復(fù)雜化，利用程序來(lái)控制機(jī)器人顯得越來(lái)越難，這主要是由于編程過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，使

41、得在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)付復(fù)雜作業(yè)十分困難。為了尋求用簡(jiǎn)單的方法描述作業(yè)，控制計(jì)算機(jī)動(dòng)作，專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言隨之就出現(xiàn)了。到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)通用的機(jī)器人語(yǔ)言，雖然現(xiàn)有的品種繁多，僅在美、日、西歐實(shí)用的機(jī)器人語(yǔ)言就至少有數(shù)十種。但即使這樣，新的機(jī)器人語(yǔ)言還不斷出現(xiàn)。究其原因，就在于目前開(kāi)發(fā)的機(jī)器人語(yǔ)言絕大多數(shù)是根據(jù)專(zhuān)用機(jī)器人而單獨(dú)開(kāi)發(fā)的，存在著通用性差的問(wèn)題。IRB5400 噴漆機(jī)器人采用的是RAPID語(yǔ)言，是瑞士ABB公司針對(duì)自己生產(chǎn)的機(jī)器人開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言。RAPID語(yǔ)言支撐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，這個(gè)規(guī)劃在IRB機(jī)器人上包含了路徑，數(shù)據(jù)等。RAPID語(yǔ)言具有模塊化、控制結(jié)構(gòu)、中斷處理等。RAPID語(yǔ)言所編寫(xiě)的簡(jiǎn)單程序都

42、是由三個(gè)最基本的部分組成：主程序，子程序，數(shù)據(jù)。最早開(kāi)展機(jī)器人語(yǔ)言研究的是美國(guó)斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院以及英國(guó)的一些大學(xué)，他們?cè)?0世紀(jì)60年代初期就著手這方面的工作。直到1973年，斯坦福大學(xué)人工智能研究室才研制出實(shí)用的WAVE語(yǔ)言，這是第一個(gè)機(jī)器人語(yǔ)言。WAVE語(yǔ)言具有動(dòng)作的描述、力和接觸的控制，配合視覺(jué)系統(tǒng)可以完成手眼協(xié)調(diào)編程。之后，在WAVE語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，該實(shí)驗(yàn)室又開(kāi)發(fā)出了AL語(yǔ)言，這是一種具有高級(jí)語(yǔ)言ALGOL特點(diǎn)的編譯式語(yǔ)言，能在實(shí)時(shí)控制機(jī)上執(zhí)行。不僅能用該語(yǔ)言描述機(jī)器人手爪的操作，而且還能記憶作業(yè)環(huán)境以及環(huán)境內(nèi)物象之間的相對(duì)位置，可以用來(lái)控制多臺(tái)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。AL語(yǔ)言影響了后來(lái)

43、許多面向機(jī)器人語(yǔ)言的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人語(yǔ)言的發(fā)展有很大的影響。美國(guó)IBM公司在機(jī)器人語(yǔ)言研究上作了很多工作，也取得了不少成果。該公司在20世紀(jì)70年代中期開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于直角坐標(biāo)機(jī)器人上的EMILY和ML語(yǔ)言，能用于機(jī)器人的裝配作業(yè)，此后該公司又研制出用于裝配機(jī)器人的AUTOPASS，這是一種比較高級(jí)的機(jī)器人語(yǔ)言，它可以對(duì)幾何模型類(lèi)任務(wù)進(jìn)行半自動(dòng)編程。在1982年，IBM公司又推出了AML語(yǔ)言，目前，AML已作為商業(yè)化產(chǎn)品，用于IBM機(jī)器人的控制。1979年，美國(guó)Unimation公司推出VAL語(yǔ)言，主要用于PUMA和Unimate等系列的機(jī)器人上，是一種比較成功的機(jī)器人語(yǔ)言。VAL是在BASIC語(yǔ)言

44、的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的機(jī)器人語(yǔ)言，它具有BASIC語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)，比較簡(jiǎn)單，易于編程，為工業(yè)機(jī)器人所適用。1984年該公司推出VAL-語(yǔ)言，它是在VAL語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，增加開(kāi)發(fā)利用傳感器信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理以及通訊等功能。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)Automatix公司開(kāi)發(fā)了RAIL語(yǔ)言，它能利用視覺(jué)傳感器信息，進(jìn)行檢驗(yàn)零件作業(yè)。同期，麥道公司研制出了MCL語(yǔ)言，它是在數(shù)控語(yǔ)言APL基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的機(jī)器人語(yǔ)言。MCL語(yǔ)言應(yīng)用與由機(jī)床及機(jī)器人組成的柔性加工單元的編程，其功能較強(qiáng)。有的國(guó)家正嘗試在數(shù)控機(jī)床通用語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，形成統(tǒng)一的機(jī)器人語(yǔ)言，但由于機(jī)器人控制不僅要考慮機(jī)器人本身的運(yùn)動(dòng)，還要考慮機(jī)器人與配套

45、設(shè)備間的協(xié)調(diào)通訊以及多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作，因而技術(shù)難度非常大，目前尚處于研究探索階段。本文使用Robotstudio軟件，仿真兩臺(tái)IRB5400噴漆機(jī)器人進(jìn)行噴涂，在軟件里面輸入程序。程序流程如圖3-1。圖3-1 程序流程圖主程序中，主程序?yàn)镻ROC，Routine1、Routine2、Routine3、Routine4、Routine5為5個(gè)子程序，把一個(gè)機(jī)器人噴涂的發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)子程序代表一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域規(guī)劃了100個(gè)噴涂點(diǎn)。為了保證噴涂質(zhì)量，當(dāng)機(jī)器人距離發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，即距離超過(guò)時(shí)，停止噴涂，機(jī)器人回到初始位置，噴涂下一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，此臺(tái)未噴涂完的發(fā)動(dòng)機(jī)重新進(jìn)行人工噴涂。

46、Routine1包括了發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的噴涂，Routine2、Routine3包括了發(fā)動(dòng)機(jī)正面的噴涂，Routine4包括了發(fā)動(dòng)機(jī)上面的噴涂，Routine5包括了發(fā)動(dòng)機(jī)下面的噴涂。程序中執(zhí)行完Routine4后，有一個(gè)Waittime 20，此處是一個(gè)調(diào)整時(shí)間，調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，避免機(jī)器人出現(xiàn)死機(jī)，還可以讓機(jī)器人以更好的姿態(tài)來(lái)噴涂Routine5所包括的區(qū)域。tool11tool13代表了選擇的工藝參數(shù)，噴嘴口徑，控制參數(shù)11.25，ppa。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度為600mm/s，發(fā)動(dòng)機(jī)吊在懸鏈上，運(yùn)動(dòng)速度為800mm/min。由于生產(chǎn)任務(wù)的增加，改進(jìn)后的程序提高了機(jī)器人和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)

47、速度。改進(jìn)后的程序考慮了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可能會(huì)碰到的死點(diǎn)，在噴涂過(guò)程中優(yōu)先考慮噴涂這些死點(diǎn)。3.3噴漆機(jī)器人離線編程的主程序PROC runjob（）ActUnit CNVI;ConfJoff;ConfLoff;678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9,v600,z50,tool13;WaitWObj wobjconv1RelDist:=100;IF c1Position0.5 THENTPErase;TPWrite“object exceed the volid range,drop the current object”;ENDIFUseBrushTab bd1

48、;678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9,v600,z50,tool13;Routine1;Routine2;Routine3;Routine4;Waittime 20;Routine5;678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9,v600,z50,tool13; DropWOb wobjconv1;678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9,v600,z50,tool13;ConfJon; ConfLon;DeactUnit CNV1;ENDPROC3.4程序結(jié)果分析程序改進(jìn)前，噴涂效果如圖3

49、-2。圖3-2 改進(jìn)前噴涂效果圖紅色區(qū)域表示漆膜厚度超過(guò)40um黃色區(qū)域表示漆膜厚度不足30um綠色區(qū)域表示漆膜厚度在3040um之間，符合要求符合要求的約占55%，漆膜厚度不足的越占27%，過(guò)厚的越占18%程序改進(jìn)后，應(yīng)用于IRB5400噴漆機(jī)器人，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、測(cè)量、分析，噴涂效果如圖3-3。圖3-3 改進(jìn)后噴涂效果圖紅色區(qū)域表示漆膜厚度超過(guò)60um 黃色區(qū)域表示漆膜厚度不足50um綠色區(qū)域表示漆膜厚度在5060um之間，符合要求符合要求的約占82%，漆膜厚度不足的越占10%，過(guò)厚的越占8%顯然，經(jīng)過(guò)程序的改進(jìn)，漆膜厚度增加、覆蓋率提高。對(duì)不符合厚度要求的，進(jìn)行人工處理。如對(duì)厚度不足的區(qū)域進(jìn)行

50、人工噴漆，對(duì)過(guò)厚的區(qū)域打磨等。由于機(jī)器人運(yùn)行的不穩(wěn)定，有時(shí)候會(huì)停機(jī)，通過(guò)改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新的程序，使得機(jī)器人能以更好的姿態(tài)來(lái)噴涂發(fā)動(dòng)機(jī)，得出結(jié)果如表3-1所示。表3-1 機(jī)器人故障停機(jī)周期停機(jī)次數(shù)運(yùn)行次數(shù)故障次數(shù)/百萬(wàn)次運(yùn)行131102173034221110071979327109172473424104582295581025778069110328167111065810328610798557其中周期14為程序改進(jìn)前，周期58為程序改進(jìn)后。故障分布如圖3-4。圖3-4 故障分布可知，故障次數(shù)/百萬(wàn)次運(yùn)行明顯的下降了，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。以瑞士ABB公司生產(chǎn)的IRB5400噴漆機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)對(duì)

51、象，改進(jìn)了噴涂發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用程序，進(jìn)行了仿真，通過(guò)測(cè)量，得出了結(jié)果：發(fā)動(dòng)機(jī)漆膜厚度增加、覆蓋率提高、故障停機(jī)率降低，證明了開(kāi)發(fā)程序的合理性和有效性。第4章焊接機(jī)器人研究根據(jù)機(jī)器人語(yǔ)言的類(lèi)別不同,其組成也不同。對(duì)于動(dòng)作級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言,主要包括: (1)位置說(shuō)明。使用提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義物體的位置和特征。對(duì)于焊接作業(yè),機(jī)器人末端焊槍以及工件的位置和姿態(tài)可以用4×4的矩陣進(jìn)行表示。(2)運(yùn)動(dòng)說(shuō)明。通常用一系列機(jī)器人要達(dá)到的目標(biāo)位置來(lái)說(shuō)明,不僅需要說(shuō)明初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài),為了避免碰撞,還應(yīng)該說(shuō)明路徑上足夠的中間點(diǎn)。此外,還需要說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的速度等。(3)傳感和控制流程。焊接過(guò)程中存在著焊接變形,同時(shí)又

52、要保證焊接的質(zhì)量,通常要使用焊縫跟蹤系統(tǒng)和熔透控制系統(tǒng)等。故程序中要包含相應(yīng)的傳感信息處理。此外,機(jī)器人程序的流程通常由傳感器信息控制,多數(shù)語(yǔ)言都提供了判定結(jié)構(gòu),如do-while。(4)程序設(shè)計(jì)支持。提供必要的程序開(kāi)發(fā)和調(diào)試功能,主要包括再線修改、跟蹤傳感輸出和仿真。對(duì)于任務(wù)級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言,允許用戶使用高級(jí)語(yǔ)言描述任務(wù)(任務(wù)說(shuō)明),系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃程序通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)(環(huán)境模型),將任務(wù)說(shuō)明轉(zhuǎn)換為機(jī)器人語(yǔ)言程序(程序合成),然后執(zhí)行之。主要包括: (1)環(huán)境模型。用于描述物體(包括機(jī)器人)的幾何和物理特性,以及工作空間中物體的狀態(tài)。(2)任務(wù)說(shuō)明。任務(wù)被描述成工作空間中物體狀態(tài)的序列,物體狀態(tài)可以

53、用物體之間的空間關(guān)系表示,通常用定義了語(yǔ)法和語(yǔ)義的高級(jí)語(yǔ)言來(lái)描述。(3)程序合成。首先將任務(wù)說(shuō)明轉(zhuǎn)換為可用的形式,得到一個(gè)由物體狀態(tài)組成的集合,再根據(jù)物體的幾何和物理特性,規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生動(dòng)作級(jí)程序。目前任務(wù)級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用的程度。但是動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言的編程效率比較低。因此,文中綜合以上兩種語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)一種既具有相對(duì)較高效率又可以實(shí)用的語(yǔ)言HAW RL,它由以下幾個(gè)部分組成: (1)位置說(shuō)明。通過(guò)定義的專(zhuān)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指定機(jī)器人、工件以及障礙物的位置和姿態(tài)。(2)任務(wù)說(shuō)明。用來(lái)說(shuō)明機(jī)器人要執(zhí)行的任務(wù),不是簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)序列的指定,也不是“焊接工件上的所有焊縫”這樣高級(jí)的任務(wù)序列,

54、而是分解機(jī)器人需要完成的任務(wù)指定其各個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)階段。如“先移動(dòng)到焊縫起始點(diǎn),然后以指定的速度焊接直線焊縫,最后焊接一段圓弧,之后回到機(jī)器人零位”。(3)數(shù)學(xué)運(yùn)算及程序控制流程。用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算和控制流程的控制。(4)傳感信息處理。用于控制傳感信息的接收與否及相關(guān)處理。關(guān)于程序的輸出、調(diào)試以及仿真等由程序的編譯解釋系統(tǒng)提供。4.1混合式弧焊機(jī)器人編程語(yǔ)言從機(jī)器人語(yǔ)言發(fā)展的歷史來(lái)看,機(jī)器人語(yǔ)言從比較低級(jí)的動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言逐漸發(fā)展到比較高級(jí)的任務(wù)級(jí)語(yǔ)言。動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句比較簡(jiǎn)單,易于編程;但是其缺點(diǎn)也比較明顯,即不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,編程效率低,不能接收復(fù)雜的傳感器信息。盡管如此,由于其簡(jiǎn)單實(shí)用,

55、動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言仍然得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在的大多數(shù)機(jī)器人語(yǔ)言都屬于這一類(lèi),如IBM公司為其機(jī)器人產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的商品化機(jī)器人語(yǔ)言AML。任務(wù)級(jí)語(yǔ)言沒(méi)有明確的規(guī)定機(jī)器人的動(dòng)作,但機(jī)器人可以自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算,最后生成機(jī)器人的動(dòng)作序列。這類(lèi)語(yǔ)言為數(shù)不多,主要有IBM公司開(kāi)發(fā)的AUTOPASS。這類(lèi)語(yǔ)言的功能也遠(yuǎn)沒(méi)有真正的達(dá)到人們的期望。但是,它確實(shí)是一個(gè)非常具有實(shí)用意義的發(fā)展方向?；谝陨戏治?綜合動(dòng)作級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言和任務(wù)級(jí)機(jī)器人語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn),擬介紹新開(kāi)發(fā)的混合式弧焊機(jī)器人編程語(yǔ)言HAW RL(hybrid arcwelding robot language)。HAWRL不僅包含了動(dòng)作級(jí)的指令和簡(jiǎn)單的任務(wù)級(jí)指令,同時(shí)具有一些運(yùn)算功能,故稱(chēng)為混合式弧焊機(jī)器人編程語(yǔ)言。運(yùn)用HAWRL,不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)程序的手動(dòng)編寫(xiě),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了離線編程系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)以及示教編程器與機(jī)器人控制系統(tǒng)的通用接口。對(duì)于六自由度四連桿機(jī)構(gòu)弧焊機(jī)器人來(lái)說(shuō),一般采用D-H模型進(jìn)行描述,因此,表達(dá)機(jī)器人的位置和姿態(tài)一般都采用六個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角或者4×4的矩陣。對(duì)于焊接工件來(lái)說(shuō),一般采用4×4的矩陣描述它的位置和姿態(tài)。在HAW RL中,為了描述機(jī)器人以及工件的位置,用六個(gè)連續(xù)的浮點(diǎn)數(shù)中間以“/”作為分割來(lái)表示一組關(guān)節(jié)角,如0. 0/18. 0/20. 5/30.5/40. 0/50. 0;用1