机器人离线编程研究进展模板

任课教师评语：签名：年月日课程名称：机器人技术及应用论文题目：机器人离线编程研究进展姓名：学号：成绩：机器人离线编程技术的研究进展摘要：机器人系统的编程能力，决定了机器人的实用功能和作业质量，而离线编程技术是保证作业质量的关键。本文概述了离线编程系统的主要组成部分，并对仿真平台的应用、图形仿真技术、高级语言二次开发等研究进展着重作了介绍。离线编程技术凭借其巨大的优势，在生产加工领域应用广泛，也是机器人开发应用的重要研究方向。关键字：离线编程；图形仿真；二次开发；后置处理工业机器人的弧焊、切割、涂胶、打磨等作业，都属于连续轨迹控制。机器人运动控制程序，是正确完成这些作业的保证。工业机器人的控制程序，主要有两种方法来获得：即在线编程（在线示教）和离线编程（离线示教）。前者编程快捷，但编程精度低，并且是在作业现场，要占用机器人的工作时间。后者不对实际作业的机器人直接进行示教，而是在虚拟的作业环境下，通过使用计算机内的CAD模型，生成示教数据，间接地对机器人进行示教。示教结果可以通过运动仿真，从而确定机器人是否按人们期望的方式运动。对于轨迹精度要求高的作业，显然离线编程是最为理想的方法机器人离线编程的方法，在提高机器人工作效率、复杂运动轨迹规划、碰撞和干涉检验、直观地观察编程结果、优化编程等方面的优势，已引起了人们的极大兴趣，并成为当今机器人学中一个十分活跃的研究方向。研究和应用离线编程技术，是提高工业机器人作业水平的必然趋势。1机器人离线编程系统概述机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制系统，以控制机器人运动，完成给定任务，系统的总体结构如图1所示[1]。机器人离线编程系统已被证明是一个有力的工具，可以增加安全性，减少机器人不工作时间和降低成本。机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，通过该系统可以建立机器人和CAD/CAM之间的联系。设计一个离线编程系统应具备以下几点[2]：1)所编程的工作过程的知识；2)机器人和工作环境三维实体模型3)机器人几何学、运动学和动力学的知识；4)基于图形显示的软件系统、可进行机器人运动的图形仿真；5)轨迹规划和检查算法如检查机器人关节角超限、检测碰撞以及规划机器人在工作空间的运动轨迹等；6)传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划；7)通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信；8)用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统的操作。此外，由于离线编程系统是基于机器人系统的图形模型来模拟机器人在实际环境中的工作进行编程的，因此为了使编程结果能很好地符合于实际情况，系统应能够计算仿真模型和实际模型之间的误差，并尽量减少二者间的误差。2离线编程系统组成及研究进展机器人离线编程系统不仅要在计算机上建立起机器人系统的物理模型，而且要对其进行编程和动画仿真，以及对编程结果后置处理。一般说来，机器人离线编程系统包括以下一些主要模块：传感器、机器人系统建模、离线编程、图形仿真、人机界面。2.1基于仿真技术的研究机器人在研制、设计和试验过程中经常需要对其运动学，动力学性能进行分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动学和动力学问题十分复杂，计算难度和计算量都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然图1系统结构图后对机器人的机构设计，运动学正反解分析，操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研发机械手过程中出现的问题。已有的仿真软件种类多样，功能各有差异，在工业应用领域中有许多应用开发的例子。华南理工大学选用SolidWorks软件为平台[3]，研究喷涂机器人的离线编程，他们将设备建模划分为四个部分，即零件建模、装配建模、参数化建模以及运动学建模。以SolidWorks为基础，成功构建了设备模型，并采用软件自带的API函数实现模型的重构和运动仿真。并且针对复杂曲面进行试验，得到了较好的效果。依据建立的模型，输入相应的机器人参数，得到所建立的机器人本体模型见图2。天津大学[4]通过对弧焊机器人的结构以及各连杆的几何参数分析后，运用UGNX4.0强大的三维建模功能，对MotomanHP6型机器人进行了三维建模，建立的机器人手臂模型见图3。在UG环境下，弧焊机器人的设备建模包括三个重要的模块，即零件模块、装配模块及运动学模块。其中零件模块是基础，装配模块和运动模块是在这基础上进行的。他们还采用了VC++进行二次开发，完善了弧焊机器人和变位机的三维建模，为UG环境下的二次开发研究打下了良好的基础。无论基于何种开发平台，模型建立的合理性是影响实践效果的关键因素，又由于利用软件自带的数据及机器人理论结构参数所构建的机器人模型与实际模型之间存在着误差，所以必须对机器人进行标定，对其误差进行测量、分析及不图2机器人本体模型图3六个自由度的机械手臂模型断校正所建模型。随着机器人应用领域的不断扩大，机器人作业环境的不确定性对机器人作业任务有着十分重要的影响，固定不变的环境模型是不够的，极可能导致机器人作业的失败。因此，如何对环境的不确定性进行抽取，并以此动态修改环境模型，是机器人离线编程系统实用化的一个重要问题。2.2图形仿真离线编程系统的一个重要作用是离线调试程序，而离线调试最直观有效的方法是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，利用图形仿真技术模拟机器人的作业过程，提供一个与机器人进行交互作用的虚拟环境。计算机图形仿真是机器人离线编程系统的重要组成部分，它将机器人仿真的结果以图形的形式显示出来，直观地显示出机器人的运动状况，从而可以得到从数据曲线或数据本身难以分析出来的许多重要信息，离线编程的效果正是通过这个模块来验证的。随着计算机技术的发展，在PC机Windows平台上可以方便地进行三维图形处理，并以此为基础完成SolidWorks/UG、机器人任务规划和动态模拟图形仿真。一般情况下，用户在离线编程模块中为作业单元编制任务程序，经编译连接后生成仿真文件。在仿真模块中，系统解释控制执行仿真文件的代码，对任务规划和路径规划的结果进行三维图形动画仿真，模拟整个作业的完成情况。检查发生碰撞的可能性及机器人的运动轨迹是否合理，并计算机器人的每个工步的操作时间和整个工作过程的循环时间，为离线编程结果的可行性提供参考。2.3编程编程模块一般包括：机器人及设备的作业任务描述（包括路径点的设定）、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线控制机器人运动以完成作业。在机器人技术发展初期，较多采用特定的机器人语言进行编程。一般的机器人语言采用了计算机高级程序语言中的程序控制结构，并根据机器人编程的特点，通过设计专用的机器人控制语句及外部信号交互语句来控制机器人的运动，从而增强了机器人作业描述的灵活性。面向任务的机器人编程是高度智能化的机器人编程技术的理想目标——使用最合适于用户的类自然语言形式描述机器人作业。通过机器人装备的智能设施实时获取环境的信息，并进行任务规划和运动规划，最后实现机器人作业的自动控制。面向对象机器人离线编程系统所定义的机器人编程语言把机器人几何特性和运动特性封装在一块，并为之提供了通用的接口。基于这种接口，可方便地与各种对象，包括传感器对象打交道。由于语言能对几何信息直接进行操作且具有空间推理功能，因此它能方便地实现自动规划和编程。此外，还可以进一步实现对象化任务级编程语言，这是机器人离线编程技术的又一大提高。南昌航空大学[5]针对MOTOMAN-UP系列机器人，在PC机的Windows平台上利用VC++开发了弧焊机器人离线编程系统，图4为其系统自动生成作业程序的流程图。该系统能对任意马鞍形工件规划出焊枪的运动路径与姿态，且按比例同步显示工件；集成了机器人通信模块和运动学仿真模块，并自动导入工件，不仅能单步生成作业指令，而且可自动生成作业文件；采用OpenGL技术建立三维工件模型，实现工件的显示、旋转、缩放等功能。通过以太网，对PC机中的作业程序和机器人控制器中的作业程序进行相互传输，实现了弧焊机器人的离线编程及远程控制。山东大学[6]以弧焊机器人和变位机为试验平台，将离线编程软件ROTSY、计算机与机器人通信软件MOTOCOM32和校正软件MOTOCALV32组成一个弧焊机器人离线编程系统，实现了机器人和变位机的联动离线编程。并通过复杂的马鞍形焊缝编程对所建立离线编程系统进行了验证。图5显示的是某一程序点的图形示教与实际运行的机器人状态比对。可见在实际运行过程中，焊缝上的点接近或处于船型焊或平焊的位置，焊枪运行平滑，始终对准焊缝，焊枪的姿态也始终符合实际焊接的要求，本离线编程系统达到了设计要求。采用高级语言可准确描绘机器人的作业过程，达到了工业应用的目的，可以对机器人实现精确控制，大大降低了人力的成本。图4自动生成作业程序流程2.4传感器近年来，随着机器人技术的发展，传感器在机器人作业中起着越来越重要的作用，对传感器的仿真已成为机器人离线编程系统中必不可少的一部分，并且也是离线编程能够实用化的关键。利用传感器的信息能够减少仿真模型与实际模型之间的误差，增加系统操作和程序的可靠性，提高编程效率。对于有传感器驱动的机器人系统，[7]由于传感器产生的信号会受到多方面因素的干扰（如光线条件、物理反射率、物体几何形状以及运动过程的不平衡性等），使得基于传感器的运动不可预测。传感器技术的应用使机器人系统的智能性大大提高，机器人作业任务已离不开传感器的引导。因此，离线编程系统应能对传感器进行建模，生成传感器的控制策略，对基于传感器的作业任务进行仿真。2.5后置处理后置处理的主要任务是把离线编程的源程序编译为机器人控制系统能够识别的目标程序[8]。即当作业程序的仿真结果完全达到作业的要求后，将该作业程序转换成目标机器人的控制程序和数据，并通过通信接口加载到目标机器人控制系统，驱动机器人去完成指定的任务。由于机器人控制柜的多样性，要设计通用的通信模块比较困难，因此一般采用后置处理将离线编程的最终结果翻译成目标机器人控制柜可以接受的代码形式，然后实现加工文件的上传及下载。机器人离线编程中，仿真所需数据与机器人控制系统中的数据是有些不同的。所以离线编程系统中生成的数据有两套：一套供仿真用；一套供控制系统使用；这些都是由a图形示教b实际运行图5程序点相应的图形示教与实际运行的比照后置处理进行操作的。3离线编程技术展望及结论机器人离线编程技术对工业机器人的推广应用及其工作效率的提高有着重要意义，离线编程可以大幅度节省制造时间，实现计算机的实时仿真，为机器人编程和调试提供安全灵活的环境，是机器人开发应用的研究方向。工业机器人的高效安全作业替代了繁重的体力劳动，提高了自动化水平和作业质量，机器人作业将会越来越广泛地应用于各个生产领域。机器人系统的编程能力决定了机器人的实用功能和作业质量，机器人离线编程技术则是保证作业质量的关键，对于复杂的作业路径编程则可通过对离线编程软件的二次开发来实现。在市场经济利益的驱使下，越来越多的生产企业愿意借用离线编程技术来提高加工生产速率，以获得更大的酬劳分配。鉴于已有的工业应用，本文分析了离线编程技术几个重要组成部分的发展，可以得到以下结论：①已有的仿真软件能够为系统建模提供更合适的平台，但是模型建立的合理性是决定开发系统的实用与否的关键因素；②可以采用高级语言，比如VC++，描述机器人系统的作业过程，提高系统作业的精确性及可控制性；③随着加工次序的复杂、生产精度要求的提高，需要更加灵敏的传感器以实现指令的传动，提高加工质量。4参考文献[1]付宜利,马云辉,赵春霞等.机器人离线编程技术与系统[J].组台机床与自动化加工技术,1995(1)[