機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭 榮

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭 榮

文章介紹了機(jī)器人離線編程系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)外機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，離線編程系統(tǒng)的構(gòu)成及今后的發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)器人；離線編程

進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)器人已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工具，它標(biāo)志著工業(yè)的現(xiàn)代化程度。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。它集機(jī)械工程、電子工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果于一體，目前已有許多類(lèi)型的機(jī)器人投入工程應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。機(jī)器人是一個(gè)可編程的機(jī)械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度上決定于機(jī)器人的編程能力。由于機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和所完成任務(wù)復(fù)雜程度不斷增加，機(jī)器人工作任務(wù)的編制已經(jīng)成為一個(gè)重要問(wèn)題。通常，機(jī)器人編程方式可分為示教再現(xiàn)編程和離線編程。目前，在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人系統(tǒng)大多為示教再現(xiàn)型。示教再現(xiàn)型機(jī)人在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中存在的主要技術(shù)問(wèn)題有：①機(jī)器人的在線示教編程過(guò)程繁瑣、效率低；②示教的精度完全靠示教者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)決定，對(duì)于復(fù)雜路徑難以取得令人滿(mǎn)意的示教果；③對(duì)于一些需要根據(jù)外部信息進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的應(yīng)用無(wú)能為力。而離線編程系統(tǒng)可以簡(jiǎn)機(jī)器人編程進(jìn)程，提高編程效率，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的必要的軟件支撐系統(tǒng)。與示教編程相比，離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少機(jī)器人停機(jī)的時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作；②使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境；③離線編程系統(tǒng)使用范圍廣，可以對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程；④便于和CAD／CAM系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/ROBOTICS一體化；⑤可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程；⑥便于修改機(jī)器人程序。因此，離線編程引起了人們的廣泛重視，并成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)十分活躍的研究方向。

1 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)概述

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)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(guò)對(duì)圖形的控制和操作，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。通過(guò)對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫(huà)仿真，以檢驗(yàn)編程的正確性，最后將生成的代碼傳到機(jī)器人控制系統(tǒng)，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成給定任務(wù)。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)已被證明是一個(gè)有力的工具，可以增加安全性，減少機(jī)器人不工作時(shí)間和降低成本。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是機(jī)器人編程語(yǔ)言的拓廣，通過(guò)該系統(tǒng)可以建立機(jī)器人和CAD／CAM之間的聯(lián)系。設(shè)計(jì)一個(gè)離線編程系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：

1)所編程的工作過(guò)程的知識(shí)；

2)機(jī)器人和工作環(huán)境三維實(shí)體模型；

3)機(jī)器人幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的知識(shí)；

4)基于圖形顯示的軟件系統(tǒng)、可進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的圖形仿真；

5)軌跡規(guī)劃和檢查算法，如檢查機(jī)器人關(guān)節(jié)角超限、檢測(cè)碰撞以及規(guī)劃?rùn)C(jī)器人在工作空間的運(yùn)動(dòng)軌跡等；

6)傳感器的接口和仿真，以利用傳感器的信息進(jìn)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(yùn)動(dòng)代碼到各種機(jī)器人控制柜的通信；

8)用戶(hù)接口，以提供有效的人機(jī)界面，便于人工干預(yù)和進(jìn)行系統(tǒng)的操作。

此外，由于離線編程系統(tǒng)是基于機(jī)器人系統(tǒng)的圖形模型來(lái)模擬機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的工作進(jìn)行編程的，因此為了使編程結(jié)果能很好地符合于實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)能夠計(jì)算仿真模型和實(shí)際模型之間的誤差，并盡量減少二者間的誤差。

2 機(jī)器人離線編程的組成

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(duì)其進(jìn)行編程和動(dòng)畫(huà)仿真，以及對(duì)編程結(jié)果后置處理。一般說(shuō)來(lái)。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)包括以下一些主要模塊：傳感器、機(jī)器人系統(tǒng)CAD建模、離線編程、圖形仿真、人機(jī)界面

2．1 CAD仿真技術(shù)的研究

機(jī)器人在研制，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中,經(jīng)常需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，而機(jī)器人又是多自由度，多連桿空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題十分復(fù)雜，計(jì)算難度和計(jì)算量都很大。若將機(jī)械手作為仿真對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)CAD技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論在計(jì)算機(jī)中形成幾何圖形，并動(dòng)畫(huà)顯示，然后對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解分析，操作臂控制以及實(shí)際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問(wèn)題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機(jī)械手過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

CAD建模需要完成以下任務(wù)：①零件建模；②設(shè)備建模；③系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置；④幾何模型圖形處理。因?yàn)槔矛F(xiàn)有的C AD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(duì)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)其誤差進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)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(wèn)題。

2．2 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(guò)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(lái)，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(lái)的許多重要信息，離線編程的效果正是通過(guò)這個(gè)模塊來(lái)驗(yàn)證的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在PC機(jī)Windows平臺(tái)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(hù)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(duì)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(huà)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(guò)程的循環(huán)時(shí)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(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(duì)程序做適當(dāng)?shù)男拚?，以達(dá)到滿(mǎn)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(yǔ)言進(jìn)行編程。一般的機(jī)器人語(yǔ)言采用了計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語(yǔ)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(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的機(jī)器人控制語(yǔ)句及外部信號(hào)交互語(yǔ)句來(lái)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。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(hù)的類(lèi)自然語(yǔ)言形式描述機(jī)器人作業(yè)．通過(guò)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(yǔ)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(duì)象，包括傳感器對(duì)象打交道。由于語(yǔ)言能對(duì)幾何信息直接進(jìn)行操作且具有空問(wèn)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(duì)象化任務(wù)級(jí)編程語(yǔ)言，這是機(jī)器人離線編程技術(shù)的又一大提高。

2．4 傳感器

近年來(lái)，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(lái)越重要的作用，對(duì)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。對(duì)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(hào)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(guò)程的不平衡性等)，使得基于傳感器的運(yùn)動(dòng)不可預(yù)測(cè)。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(kāi)傳感器的引導(dǎo)。因此，離線編程系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)傳感器進(jìn)行建模，生成傳感器的控制策略，對(duì)基于傳感器的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行仿真。

2．5 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(shí)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(guò)通信接口加載到目標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人去完成指定的任務(wù)。由于機(jī)器人控制柜的多樣性，要設(shè)計(jì)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(jī)器人控制柜可以接受的代碼形式，然后實(shí)現(xiàn)加工文件的上傳及下載。機(jī)器人離線編程中，仿真所需數(shù)據(jù)與機(jī)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(jìn)行操作的。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人離線編程技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真，為機(jī)器人編程和調(diào)試提供安全靈活的環(huán)境，是機(jī)器人開(kāi)發(fā)應(yīng)用的研究方向。

[1] 熊有倫．機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)．華中理工大學(xué)出版社，1992

[2] 張福學(xué)．機(jī)器人技術(shù)廈其應(yīng)用．電子工業(yè)出版杜，2000

[3] 趙東渡．熊有倫．機(jī)器人離線編程研究．機(jī)器人，1997（19）

[4] 付宜利，趙春霞．機(jī)器人離線編程技術(shù)與系統(tǒng)．組臺(tái)機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)．1995（1）

[5] 趙東波，熊有倫．面向?qū)ο髾C(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則．機(jī)器人．1997 （11）

[6] 陳志翔，黃勇．弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)．機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2001， (10)

[7] 劉振宇．徐方．一種通用的機(jī)器人三維圖形仿真的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人．2001 （23）

[8] 馬強(qiáng)，王乾廷，圖形交互式機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)．電工技術(shù)與自動(dòng)化，2001（6）

Introduced the robot off-line programming system is the robot application important tool,and the situation of off-line programming system aboard,trend of off-line programming system.

Robot； off-line programming