機(jī)器人離線編程研究進(jìn)展模板

1、課程名稱：機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用論文題目：機(jī)器人離線編程研究進(jìn)展姓名：學(xué)號(hào)：成績：機(jī)器人離線編程技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：機(jī)器人系統(tǒng)的編程能力，決定了機(jī)器人的實(shí)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(duì)仿真平臺(tái)的應(yīng)用、圖形仿真技術(shù)、高級(jí)語言二次開發(fā)等研究進(jìn)展著重作了介紹。離線編程技術(shù)憑借其巨大的優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也是機(jī)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(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序，是正確完成這些作業(yè)的保證。工業(yè)機(jī)器人的控制程序，主要有兩種方法來獲得：

2、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(chǎng)，要占用機(jī)器人的工作時(shí)間。后者不對(duì)實(shí)際作業(yè)的機(jī)器人直接進(jìn)行示教，而是在虛擬的作業(yè)環(huán)境下，通過使用計(jì)算機(jī)內(nèi)的CAD模型，生成示教數(shù)據(jù)，間接地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教。示教結(jié)果可以通過運(yùn)動(dòng)仿真，從而確定機(jī)器人是否按人們期望的方式運(yùn)動(dòng)。對(duì)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(jī)器人離線編程的方法，在提高機(jī)器人工作效率、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、碰撞和干涉檢驗(yàn)、直觀地觀察編程結(jié)果、優(yōu)化編程等方面的優(yōu)勢(shì)，已引起了人們的極大興趣，并成為當(dāng)今機(jī)器人學(xué)中一個(gè)十分活躍的研究方向。研究和應(yīng)用離線編程技術(shù)，是提高工業(yè)機(jī)器人作業(yè)水

3、平的必然趨勢(shì)。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。通過對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫仿真，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)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示1。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)器人編程語言的拓廣，通過該系統(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)2：1) 所編程的工作過程的知識(shí)；2)

4、 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)劃機(jī)器人在工作空間的運(yùn)動(dòng)軌跡等；圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖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)

5、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(jìn)展機(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)畫仿真，以及對(duì)編程結(jié)果后置處理。一般說來，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)建模、離線編程、圖形仿真、人機(jī)界面。2.1基于仿真技術(shù)的研究機(jī)器人在研制、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中經(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)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)畫顯示，然后對(duì)機(jī)器

6、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)械手過程中出現(xiàn)的問題。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(tái)3，研究噴涂機(jī)器人的離線編程，他們將設(shè)備建模劃分為四個(gè)部分，即零件建模、裝配建模、參數(shù)化建模以及運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。以SolidWorks為基礎(chǔ)，成功圖2機(jī)器人本體模型構(gòu)建了設(shè)備模型，并采用軟件自帶的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)模型的重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)仿真。并且針對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行試驗(yàn)，得到了較好的效果。依據(jù)建立的模型，輸入相應(yīng)的機(jī)器人參數(shù)，得到所建立的機(jī)器

7、人本體模型見圖2。天津大學(xué)4通過對(duì)弧焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)以及各連桿的幾何參數(shù)分析后，運(yùn)用UGNX4.0強(qiáng)大的三維建模功能，對(duì)MotomanHP6型機(jī)器人進(jìn)行了三維建模，建立的機(jī)器人手臂模型見圖3。在UG環(huán)境下，弧焊機(jī)器人的設(shè)備建模包括三個(gè)重要的模塊，即零件模塊、裝配模塊及運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊。其中零件模塊是基礎(chǔ)，裝配模塊和運(yùn)動(dòng)模塊是在這基礎(chǔ)上進(jìn)行的。他們還采用了VC+進(jìn)行二次開發(fā)，完善了弧焊機(jī)器人和變位機(jī)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(tái)，模型建立的合理性是影響實(shí)踐效果的關(guān)鍵因素，又由于利用軟件自帶的數(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，

8、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

9、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。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SolidWorks/UG、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(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

10、，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(jí)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(hào)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。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

11、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。基于這種接口，可方便地與各種對(duì)象，包括傳感器對(duì)象打交道。由于語言能對(duì)幾何信息直接進(jìn)行操作且具有空間推理功能，因此它能方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃和編程。此外，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)象化任務(wù)級(jí)編程語言，這是機(jī)器人離線編程技術(shù)的又一大提高。南昌航空大學(xué)5針對(duì)MOTOMAN-UP系列機(jī)器人，在PC機(jī)的Windows平臺(tái)上利用VC+開發(fā)了弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，圖4為其系統(tǒng)自動(dòng)生成作業(yè)程序的流程圖。該

12、系統(tǒng)能對(duì)任意馬鞍形工件規(guī)劃出焊槍的運(yùn)動(dòng)路徑與姿態(tài)，且按比例同步顯圖4自動(dòng)生成作業(yè)程序流程示工件；集成了機(jī)器人通信模塊和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，并自動(dòng)導(dǎo)入工件，不僅能單步生成作業(yè)指令，而且可自動(dòng)生成作業(yè)文件；采用OpenGL技術(shù)建立三維工件模型，實(shí)現(xiàn)工件的顯示、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能。通過以太網(wǎng)，對(duì)PC機(jī)中的作業(yè)程序和機(jī)器人控制器中的作業(yè)程序進(jìn)行相互傳輸，實(shí)現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的離線編程及遠(yuǎn)程控制。山東大學(xué)6以弧焊機(jī)器人和變位機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，將離線編程軟件ROTSY計(jì)算機(jī)與機(jī)器人通信軟件MOTOCOM32和校正軟件MOTOCALV32組成一個(gè)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和變位機(jī)的聯(lián)動(dòng)離線編程。并通過復(fù)雜的馬鞍

13、形焊縫編程對(duì)所建立離線編程系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。圖5顯示的是某一程序點(diǎn)的圖形示教與實(shí)際運(yùn)行的機(jī)器人狀態(tài)比對(duì)?？梢娫趯?shí)際運(yùn)行過程中，焊縫上的點(diǎn)接近或處于船型焊或平焊的位置，焊槍運(yùn)行平滑，始終對(duì)準(zhǔn)焊縫，焊槍的姿態(tài)也始終符合實(shí)際焊接的要求，本離線編程系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用高級(jí)語言可準(zhǔn)確描繪機(jī)器人的作業(yè)過程，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的目的，可以對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確控制大大降低了人力的成本。a圖形示教b實(shí)際運(yùn)行圖5程序點(diǎn)相應(yīng)的圖形示教與實(shí)際運(yùn)行的比照2.4傳感器近年來，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(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

14、。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)，7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8。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

15、目標(biāo)機(jī)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(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 離線編程技術(shù)展望及結(jié)論機(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)

16、試提供安全靈活的環(huán)境，是機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用的研究方向。工業(yè)機(jī)器人的高效安全作業(yè)替代了繁重的體力勞動(dòng)，提高了自動(dòng)化水平和作業(yè)質(zhì)量，機(jī)器人作業(yè)將會(huì)越來越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。機(jī)器人系統(tǒng)的編程能力決定了機(jī)器人的實(shí)用功能和作業(yè)質(zhì)量，機(jī)器人離線編程技術(shù)則是保證作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵，對(duì)于復(fù)雜的作業(yè)路徑編程則可通過對(duì)離線編程軟件的二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)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)幾個(gè)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?yàn)橄到y(tǒng)建模提供更合適的平臺(tái)，但是模型建立的合理性是決定開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)用與否的關(guān)鍵因素； 可以采用高級(jí)語言，比如VC+,描述機(jī)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(shí)現(xiàn)指令的傳動(dòng)，提高加工質(zhì)量。4 參考文獻(xiàn)1 付宜利，馬云輝,趙春霞等.機(jī)器人離線編程技術(shù)與系統(tǒng)J.組臺(tái)機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),1995(1)2 鄭榮機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究J.產(chǎn)品與設(shè)計(jì),2010,10(5)3 張莉基于SolidWorks噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)備建模J.機(jī)電工程技術(shù),2010,第39卷09期4 馮勝強(qiáng)，胡繩蓀,杜乃成基于UG的弧焊