機器人離線編程研究進展

1、課程名稱： 機器人技術(shù)及應(yīng)用 論文題目： 機器人離線編程研究進展 姓 名： 學(xué) 號： 成 績： 任課教師評語： 簽名： 年 月 日機器人離線編程技術(shù)的研究進展摘要： 機器人系統(tǒng)的編程能力，決定了機器人的實用功能和作業(yè)質(zhì)量，而離線編程技術(shù)是保證作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文概述了離線編程系統(tǒng)的主要組成部分，并對仿真平臺的應(yīng)用、圖形仿真技術(shù)、高級語言二次開發(fā)等研究進展著重作了介紹。離線編程技術(shù)憑借其巨大的優(yōu)勢，在生產(chǎn)加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也是機器人開發(fā)應(yīng)用的重要研究方向。關(guān)鍵字：離線編程；圖形仿真；二次開發(fā)；后置處理工業(yè)機器人的弧焊、切割、涂膠、打磨等作業(yè)，都屬于連續(xù)軌跡控制。機器人運動控制程序，是正確完成這些

2、作業(yè)的保證。工業(yè)機器人的控制程序，主要有兩種方法來獲得：即在線編程（在線示教）和離線編程（離線示教）。前者編程快捷，但編程精度低，并且是在作業(yè)現(xiàn)場，要占用機器人的工作時間。后者不對實際作業(yè)的機器人直接進行示教，而是在虛擬的作業(yè)環(huán)境下，通過使用計算機內(nèi)的CAD模型，生成示教數(shù)據(jù)，間接地對機器人進行示教。示教結(jié)果可以通過運動仿真，從而確定機器人是否按人們期望的方式運動。對于軌跡精度要求高的作業(yè)，顯然離線編程是最為理想的方法機器人離線編程的方法，在提高機器人工作效率、復(fù)雜運動軌跡規(guī)劃、碰撞和干涉檢驗、直觀地觀察編程結(jié)果、優(yōu)化編程等方面的優(yōu)勢，已引起了人們的極大興趣，并成為當(dāng)今機器人學(xué)中一個十分活躍的

3、研究方向。研究和應(yīng)用離線編程技術(shù)，是提高工業(yè)機器人作業(yè)水平的必然趨勢。1 機器人離線編程系統(tǒng)概述機器人離線編程系統(tǒng)是利用計算機圖形學(xué)的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的幾何模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。通過對編程結(jié)果進行三維圖形動畫仿真，以檢驗編程的正確性，最后將生成的代碼傳到機器人控制系統(tǒng)，以控制機器人運動，完成給定任務(wù)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示1。機器人離線編程系統(tǒng)已被證明是一個有力的工具，可以增加安全性，減少機器人不工作時間和降低成本。機器人離線編程系統(tǒng)是機器人編程語言的拓廣，通過該系統(tǒng)可以建立機器人和CAD/CAM之間的聯(lián)系。設(shè)計一個離線編

4、程系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾點2：1) 所編程的工作過程的知識；2) 機器人和工作環(huán)境三維實體模型3) 機器人幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的知識；4) 基于圖形顯示的軟件系統(tǒng)、可進行機器人運動的圖形仿真；圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5) 軌跡規(guī)劃和檢查算法 如檢查機器人關(guān)節(jié)角超限、檢測碰撞以及規(guī)劃機器人在工作空間的運動軌跡等；6) 傳感器的接口和仿真，以利用傳感器的信息進行決策和規(guī)劃；7) 通信功能，以完成離線編程系統(tǒng)所生成的運動代碼到各種機器人控制柜的通信；8) 用戶接口，以提供有效的人機界面，便于人工干預(yù)和進行系統(tǒng)的操作。此外，由于離線編程系統(tǒng)是基于機器人系統(tǒng)的圖形模型來模擬機器人在實際環(huán)境中的工作進行編程的，因此為

5、了使編程結(jié)果能很好地符合于實際情況，系統(tǒng)應(yīng)能夠計算仿真模型和實際模型之間的誤差，并盡量減少二者間的誤差。2 離線編程系統(tǒng)組成及研究進展機器人離線編程系統(tǒng)不僅要在計算機上建立起機器人系統(tǒng)的物理模型，而且要對其進行編程和動畫仿真，以及對編程結(jié)果后置處理。一般說來，機器人離線編程系統(tǒng)包括以下一些主要模塊：傳感器、機器人系統(tǒng)建模、離線編程、圖形仿真、人機界面。2.1 基于仿真技術(shù)的研究機器人在研制、設(shè)計和試驗過程中經(jīng)常需要對其運動學(xué)，動力學(xué)性能進行分析以及進行軌跡規(guī)劃設(shè)計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構(gòu)，其運動學(xué)和動力學(xué)問題十分復(fù)雜，計算難度和計算量都很大。若將機械手作為仿真對象，運用計算機圖形

6、技術(shù)和機器人學(xué)理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構(gòu)設(shè)計，運動學(xué)正反解分析，操作臂控制以及實際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機械手過程中出現(xiàn)的問題。圖2 機器人本體模型已有的仿真軟件種類多樣，功能各有差異，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中有許多應(yīng)用開發(fā)的例子。華南理工大學(xué)選用SolidWorks軟件為平臺3，研究噴涂機器人的離線編程，他們將設(shè)備建模劃分為四個部分，即零件建模、裝配建模、參數(shù)化建模以及運動學(xué)建模。以SolidWorks為基礎(chǔ)，成功構(gòu)建了設(shè)備模型，并采用軟件自帶的API函數(shù)實現(xiàn)模型的重構(gòu)和運動仿真。并且針對復(fù)雜曲面進行試驗，得到了

7、較好的效果。依據(jù)建立的模型，輸入相應(yīng)的機器人參數(shù)，得到所建立的機器人本體模型見圖2。圖3 六個自由度的機械手臂模型天津大學(xué)4通過對弧焊機器人的結(jié)構(gòu)以及各連桿的幾何參數(shù)分析后，運用UGNX4.0強大的三維建模功能，對Motoman HP6型機器人進行了三維建模，建立的機器人手臂模型見圖3。在UG環(huán)境下，弧焊機器人的設(shè)備建模包括三個重要的模塊，即零件模塊、裝配模塊及運動學(xué)模塊。其中零件模塊是基礎(chǔ)，裝配模塊和運動模塊是在這基礎(chǔ)上進行的。他們還采用了VC+進行二次開發(fā)，完善了弧焊機器人和變位機的三維建模，為UG環(huán)境下的二次開發(fā)研究打下了良好的基礎(chǔ)。無論基于何種開發(fā)平臺，模型建立的合理性是影響實踐效果的

8、關(guān)鍵因素，又由于利用軟件自帶的數(shù)據(jù)及機器人理論結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)建的機器人模型與實際模型之間存在著誤差，所以必須對機器人進行標(biāo)定，對其誤差進行測量、分析及不斷校正所建模型。隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，機器人作業(yè)環(huán)境的不確定性對機器人作業(yè)任務(wù)有著十分重要的影響，固定不變的環(huán)境模型是不夠的，極可能導(dǎo)致機器人作業(yè)的失敗。因此，如何對環(huán)境的不確定性進行抽取，并以此動態(tài)修改環(huán)境模型，是機器人離線編程系統(tǒng)實用化的一個重要問題。2.2 圖形仿真離線編程系統(tǒng)的一個重要作用是離線調(diào)試程序，而離線調(diào)試最直觀有效的方法是在不接觸實際機器人及其工作環(huán)境的情況下，利用圖形仿真技術(shù)模擬機器人的作業(yè)過程，提供一個與機器人進行交

9、互作用的虛擬環(huán)境。計算機圖形仿真是機器人離線編程系統(tǒng)的重要組成部分，它將機器人仿真的結(jié)果以圖形的形式顯示出來， 直觀地顯示出機器人的運動狀況，從而可以得到從數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)本身難以分析出來的許多重要信息，離線編程的效果正是通過這個模塊來驗證的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在PC機Windows平臺上可以方便地進行三維圖形處理，并以此為基礎(chǔ)完成SolidWorks/UG、機器人任務(wù)規(guī)劃和動態(tài)模擬圖形仿真。一般情況下，用戶在離線編程模塊中為作業(yè)單元編制任務(wù)程序，經(jīng)編譯連接后生成仿真文件。在仿真模塊中，系統(tǒng)解釋控制執(zhí)行仿真文件的代碼，對任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃的結(jié)果進行三維圖形動畫仿真，模擬整個作業(yè)的完成情況。檢

10、查發(fā)生碰撞的可能性及機器人的運動軌跡是否合理，并計算機器人的每個工步的操作時間和整個工作過程的循環(huán)時間，為離線編程結(jié)果的可行性提供參考。2.3 編程編程模塊一般包括：機器人及設(shè)備的作業(yè)任務(wù)描述（包括路徑點的設(shè)定）、建立變換方程、求解未知矩陣及編制任務(wù)程序等。在進行圖形仿真以后，根據(jù)動態(tài)仿真的結(jié)果，對程序做適當(dāng)?shù)男拚?，以達到滿意效果，最后在線控制機器人運動以完成作業(yè)。在機器人技術(shù)發(fā)展初期，較多采用特定的機器人語言進行編程。一般的機器人語言采用了計算機高級程序語言中的程序控制結(jié)構(gòu)，并根據(jù)機器人編程的特點，通過設(shè)計專用的機器人控制語句及外部信號交互語句來控制機器人的運動，從而增強了機器人作業(yè)描述的靈

11、活性。面向任務(wù)的機器人編程是高度智能化的機器人編程技術(shù)的理想目標(biāo)使用最合適于用戶的類自然語言形式描述機器人作業(yè)。通過機器人裝備的智能設(shè)施實時獲取環(huán)境的信息，并進行任務(wù)規(guī)劃和運動規(guī)劃，最后實現(xiàn)機器人作業(yè)的自動控制。面向?qū)ο髾C器人離線編程系統(tǒng)所定義的機器人編程語言把機器人幾何特性和運動特性封裝在一塊，并為之提供了通用的接口?；谶@種接口，可方便地與各種對象，包括傳感器對象打交道。由于語言能對幾何信息直接進行操作且具有空間推理功能，因此它能方便地實現(xiàn)自動規(guī)劃和編程。此外，還可以進一步實現(xiàn)對象化任務(wù)級編程語言，這是機器人離線編程技術(shù)的又一大提高。圖4 自動生成作業(yè)程序流程南昌航空大學(xué)5針對MOTOMA

12、N-UP系列機器人，在PC機的Windows平臺上利用VC+開發(fā)了弧焊機器人離線編程系統(tǒng)，圖4為其系統(tǒng)自動生成作業(yè)程序的流程圖。該系統(tǒng)能對任意馬鞍形工件規(guī)劃出焊槍的運動路徑與姿態(tài)，且按比例同步顯示工件；集成了機器人通信模塊和運動學(xué)仿真模塊，并自動導(dǎo)入工件，不僅能單步生成作業(yè)指令，而且可自動生成作業(yè)文件；采用OpenGL技術(shù)建立三維工件模型，實現(xiàn)工件的顯示、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能。通過以太網(wǎng)，對PC機中的作業(yè)程序和機器人控制器中的作業(yè)程序進行相互傳輸，實現(xiàn)了弧焊機器人的離線編程及遠程控制。山東大學(xué)6以弧焊機器人和變位機為試驗平臺，將離線編程軟件ROTSY、計算機與機器人通信軟件MOTOCOM32和校正

13、軟件MOTOCALV32組成一個弧焊機器人離線編程系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人和變位機的聯(lián)動離線編程。并通過復(fù)雜的馬鞍形焊縫編程對所建立離線編程系統(tǒng)進行了驗證。圖5顯示的是某一程序點的圖形示教與實際運行的機器人狀態(tài)比對?？梢娫趯嶋H運行過程中，焊縫上的點接近或處于船型焊或平焊的位置，焊槍運行平滑，始終對準焊縫，焊槍的姿態(tài)也始終符合實際焊接的要求，本離線編程系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。采用高級語言可準確描繪機器人的作業(yè)過程，達到了工業(yè)應(yīng)用的目的，可以對機器人實現(xiàn)精確控制，大大降低了人力的成本。 a 圖形示教 b 實際運行圖5 程序點相應(yīng)的圖形示教與實際運行的比照2.4 傳感器近年來，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，傳感器在機

14、器人作業(yè)中起著越來越重要的作用，對傳感器的仿真已成為機器人離線編程系統(tǒng)中必不可少的一部分，并且也是離線編程能夠?qū)嵱没年P(guān)鍵。利用傳感器的信息能夠減少仿真模型與實際模型之間的誤差，增加系統(tǒng)操作和程序的可靠性，提高編程效率。對于有傳感器驅(qū)動的機器人系統(tǒng)，7由于傳感器產(chǎn)生的信號會受到多方面因素的干擾（如光線條件、物理反射率、物體幾何形狀以及運動過程的不平衡性等），使得基于傳感器的運動不可預(yù)測。傳感器技術(shù)的應(yīng)用使機器人系統(tǒng)的智能性大大提高，機器人作業(yè)任務(wù)已離不開傳感器的引導(dǎo)。因此，離線編程系統(tǒng)應(yīng)能對傳感器進行建模，生成傳感器的控制策略，對基于傳感器的作業(yè)任務(wù)進行仿真。2.5 后置處理后置處理的主要任務(wù)

15、是把離線編程的源程序編譯為機器人控制系統(tǒng)能夠識別的目標(biāo)程序8。即當(dāng)作業(yè)程序的仿真結(jié)果完全達到作業(yè)的要求后，將該作業(yè)程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口加載到目標(biāo)機器人控制系統(tǒng)，驅(qū)動機器人去完成指定的任務(wù)。由于機器人控制柜的多樣性，要設(shè)計通用的通信模塊比較困難，因此一般采用后置處理將離線編程的最終結(jié)果翻譯成目標(biāo)機器人控制柜可以接受的代碼形式，然后實現(xiàn)加工文件的上傳及下載。機器人離線編程中，仿真所需數(shù)據(jù)與機器人控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是有些不同的。所以離線編程系統(tǒng)中生成的數(shù)據(jù)有兩套：一套供仿真用；一套供控制系統(tǒng)使用；這些都是由后置處理進行操作的。3 離線編程技術(shù)展望及結(jié)論機器人離線編程技術(shù)

16、對工業(yè)機器人的推廣應(yīng)用及其工作效率的提高有著重要意義，離線編程可以大幅度節(jié)省制造時間，實現(xiàn)計算機的實時仿真，為機器人編程和調(diào)試提供安全靈活的環(huán)境，是機器人開發(fā)應(yīng)用的研究方向。工業(yè)機器人的高效安全作業(yè)替代了繁重的體力勞動，提高了自動化水平和作業(yè)質(zhì)量，機器人作業(yè)將會越來越廣泛地應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。機器人系統(tǒng)的編程能力決定了機器人的實用功能和作業(yè)質(zhì)量，機器人離線編程技術(shù)則是保證作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵，對于復(fù)雜的作業(yè)路徑編程則可通過對離線編程軟件的二次開發(fā)來實現(xiàn)。在市場經(jīng)濟利益的驅(qū)使下，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)愿意借用離線編程技術(shù)來提高加工生產(chǎn)速率，以獲得更大的酬勞分配。鑒于已有的工業(yè)應(yīng)用，本文分析了離線編程技術(shù)幾

17、個重要組成部分的發(fā)展，可以得到以下結(jié)論：已有的仿真軟件能夠為系統(tǒng)建模提供更合適的平臺，但是模型建立的合理性是決定開發(fā)系統(tǒng)的實用與否的關(guān)鍵因素；可以采用高級語言，比如VC+，描述機器人系統(tǒng)的作業(yè)過程，提高系統(tǒng)作業(yè)的精確性及可控制性；隨著加工次序的復(fù)雜、生產(chǎn)精度要求的提高，需要更加靈敏的傳感器以實現(xiàn)指令的傳動，提高加工質(zhì)量。4 參考文獻1付宜利,馬云輝,趙春霞等.機器人離線編程技術(shù)與系統(tǒng)J.組臺機床與自動化加工技術(shù),1995(1)2鄭榮.機器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計與研究J.產(chǎn)品與設(shè)計,2010,10(5)3張莉.基于SolidWorks噴涂機器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)備建模J.機電工程技術(shù),2010,第39卷09期4馮勝強,胡繩蓀,杜乃成.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)