《工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真》課件-4.1基礎(chǔ)知識工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的組成

1工業(yè)機(jī)器人離線編程基礎(chǔ)知識4.1工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的組成

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)不僅要在計(jì)算機(jī)上建立起機(jī)器人系統(tǒng)的物理模型，而且要對其進(jìn)行編程和動(dòng)畫仿真，以及對編程結(jié)果后置處理。一般來說，一個(gè)完善的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)有多個(gè)部分做成，其中主要的組成部分有：用戶接口、機(jī)器人系統(tǒng)CAD建模、狀態(tài)檢測模塊、自動(dòng)編程、圖形仿真以及后置處理等。23如圖4-2所示，下面介紹一些主要模塊：圖4-2工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的組成1．用戶接口

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題是要有良好的機(jī)器人編程環(huán)境，便于人機(jī)交互，從而幫助用戶方便的進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建和編程操作。因此用戶接口是很重要的。工業(yè)機(jī)器人一般提供兩個(gè)用戶接口，一個(gè)用于示教編程，另一個(gè)用于語言編程。示教編程可以用示教器直接編制機(jī)器人程序；語言編程則是用機(jī)器人語言編制程序，使機(jī)器人完成給定的任務(wù)。目前這兩種方式已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人。

為便于操作，用戶接口一般設(shè)計(jì)成交互式，用戶可以用鼠標(biāo)標(biāo)明物體在屏幕上的方位，并能交互修改環(huán)境模型。42．機(jī)器人系統(tǒng)CAD建模

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的核心技術(shù)是機(jī)器人及其工作單元的圖形描述。CAD建模需要完成以下任務(wù)：（1）機(jī)器人、夾具、工具的三維幾何模型（2）零件建模；（3）設(shè)備建模；（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置；（5）幾何模型圖形處理。5

因?yàn)槔矛F(xiàn)有的CAD數(shù)據(jù)及機(jī)器人理論結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)建的機(jī)器人模型與實(shí)際模型之間存在著誤差，所以必須對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，對其誤差進(jìn)行測量、分析及不斷校正所建模型。

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的不確定性對機(jī)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(jī)器人作業(yè)的失敗。

因此，如何對環(huán)境的不確定性進(jìn)行抽取，并以此動(dòng)態(tài)修改環(huán)境模型，是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)實(shí)用化的一個(gè)重要問題。63.圖形仿真離線編程系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)際機(jī)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(jī)器人的作業(yè)過程，提供一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行交互作用的虛擬環(huán)境。

計(jì)算機(jī)圖形仿真是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的重要組成部分，它將機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(gè)模塊來驗(yàn)證的。78隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在PC的Windows平臺上可以方便地進(jìn)行三維圖形處理，并以此為基礎(chǔ)完成CAD、機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃和動(dòng)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(jìn)行三維圖形動(dòng)畫仿真，模擬整個(gè)作業(yè)的完成情況。檢查發(fā)生碰撞的可能性及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是否合理，并計(jì)算機(jī)器人的每個(gè)工步的操作時(shí)間和整個(gè)工作過程的循環(huán)時(shí)間，為離線編程結(jié)果的可行性提供參考。4.編程編程模塊一般包括：機(jī)器人及設(shè)備的作業(yè)任務(wù)描述(包括路徑點(diǎn)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(jìn)行圖形仿真以后，根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果，對程序做適當(dāng)?shù)男拚赃_(dá)到滿意效果，最后在線控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以完成作業(yè)。

在機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，較多采用特定的機(jī)器人語言進(jìn)行編程。一般的機(jī)器人語言采用了計(jì)算機(jī)高級程序語言中的程序控制結(jié)構(gòu)，并根據(jù)機(jī)器人編程的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)專用的機(jī)器人控制語句及外部信號交互語句來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)了機(jī)器人作業(yè)描述的靈活性。910面向任務(wù)的機(jī)器人編程是高度智能化的機(jī)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(jī)器人作業(yè)。通過機(jī)器人裝備的智能設(shè)施實(shí)時(shí)獲取環(huán)境的信息，并進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，最后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)的自動(dòng)控制。

面向?qū)ο髾C(jī)器人離線編程系統(tǒng)所定義的機(jī)器人編程語言把機(jī)器人幾何特性和運(yùn)動(dòng)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(jìn)行操作且具有空問推理功能，因此它能方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃和編程。此外，還可以迸一步實(shí)現(xiàn)對象化任務(wù)級編程語言，這是機(jī)器人離線編程技術(shù)的又一大提高。5.狀態(tài)檢測模塊近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，傳感器在機(jī)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(jī)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(shí)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。11對于有傳感器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)，由于傳感器產(chǎn)生的信號會(huì)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(yùn)動(dòng)過程的不平衡性等)，使得基于傳感器的運(yùn)動(dòng)不可預(yù)測。傳感器技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)器人系統(tǒng)的智能性大大提高，機(jī)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(jìn)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(jìn)行仿真。126.后置處理后置處理的主要任務(wù)是把離線編程的源程序編譯為機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠識別的目標(biāo)程序。即當(dāng)作業(yè)程序的仿真結(jié)果完全達(dá)到作業(yè)的要求后，將該作業(yè)程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口下裝到目標(biāo)機(jī)器人控制器，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人去完成指定的任務(wù)。由于機(jī)器人控制器的多樣性，要設(shè)計(jì)通用的通信模塊比較困難。13因此，一般采用后置處理將離線編程的最終結(jié)果翻譯