工業(yè)機(jī)器人離線編程與仿真軟件 —— 未來趨勢

一、概述

當(dāng)前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆及打磨等領(lǐng)域，任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，而用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來越高。在這種形式下，機(jī)器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實(shí)現(xiàn)編程的自適應(yīng)性，從而提高生產(chǎn)效率，是機(jī)器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。

本文將就機(jī)器人編程技術(shù)的發(fā)展作一介紹，希望能給讀者帶來一些啟發(fā)。

二、編程技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況

對工業(yè)機(jī)器人來說，主要有三類編程方法：在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用中，手工示教仍然主宰著整個機(jī)器人焊接領(lǐng)域，離線編程適合于結(jié)構(gòu)化焊接環(huán)境，但對于軌跡復(fù)雜的三維焊縫，手工示教不但費(fèi)時而且也難以滿足焊接精度要求，因此在視覺導(dǎo)引下由計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人自主示教取代手工示教已成為發(fā)展趨勢。

　1. 示教編程技術(shù)

（1）在線示教編程?通常由操作人員通過示教盒控制機(jī)械手工具末端到達(dá)指定的姿態(tài)和位置，記錄機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機(jī)器人運(yùn)動指令，完成機(jī)器人在正常加工中的軌跡規(guī)劃、位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、記錄。

示教盒示教具有在線示教的優(yōu)勢，操作簡便直觀。如圖1所示，示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如，采用機(jī)器人對汽車車身進(jìn)行點(diǎn)焊，首先由操作人員控制機(jī)器人達(dá)到各個焊點(diǎn)對各個點(diǎn)焊軌跡通過人工示教，在焊接過程中通過示教再現(xiàn)的方式，再現(xiàn)示教的焊接軌跡，從而實(shí)現(xiàn)車身各個位置各個焊點(diǎn)的焊接。車身機(jī)器人點(diǎn)焊過程如圖2 所示。但在焊接中車身的位置很難保證每次都完全一樣，故在實(shí)際焊接中，通常還需要增加激光傳感器等對焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。

圖1 機(jī)器人示教盒

圖2 汽車車身機(jī)器人點(diǎn)焊

（2）激光傳感輔助示教?在空間探索、水下施工、核電站修復(fù)等極限環(huán)境下，操作者不能身臨現(xiàn)場，焊接任務(wù)的完成必須借助于遙控方式。環(huán)境的光照條件差，視覺信息不能完全地反饋現(xiàn)場的情況，采用立體視覺作為視覺反饋手段，示教周期長。激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)***等提出了用于遙控焊接的激光視覺傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過激光視覺傳感提取焊縫特征點(diǎn)作為示教點(diǎn)，提高了識別精度，實(shí)現(xiàn)了對平面曲線焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教（見圖3）。

圖3 基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng)

（3）力覺傳感輔助示教?由于視覺誤差，立體視覺示教精度低，激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無法適應(yīng)所有遙控焊接環(huán)境，如工件表面狀態(tài)對激光輔助示教有一定影響，不規(guī)則焊縫特征點(diǎn)提取困難，為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)***等提出了“遙控焊接力覺遙示教技術(shù)”，采用力傳感器對焊縫進(jìn)行辨識，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，反應(yīng)靈敏度高，力覺傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過力覺遙示教焊縫辨識模型和自適應(yīng)控制模型，實(shí)現(xiàn)遙示教局部自適應(yīng)控制，通過共享技術(shù)和視覺臨場感實(shí)現(xiàn)人對遙控焊接遙示教宏觀全局監(jiān)控。

（4）專用工具輔助示教?為了使得機(jī)器人在三維空間示教過程更直觀，一些輔助示教工具被引入在線示教過程，輔助示教工具包括位置測量單元和姿態(tài)測量單元，分別來測量空間位置和姿態(tài)。由兩個手臂和一個手腕組成，有6個自由度，通過光電編碼器來記錄每個關(guān)鍵的角度。操作時，由操作人員手持該設(shè)備的手腕，對加工路徑進(jìn)行示教，記錄下路徑上每個點(diǎn)的位置和姿態(tài)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的加工路徑值，實(shí)現(xiàn)示教編程，操作簡便， 精度高，不需要操作者實(shí)際操作機(jī)器人，這對很多非專業(yè)的操作人員來說是非常方便的。

借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教，提高了機(jī)器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機(jī)器人加工的精度和效率，這在很多場合是非常實(shí)用的。

　2. 離線編程技術(shù)

與在線編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少停機(jī)的時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作。②使編程者遠(yuǎn)離危險的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境。③使用范圍廣，可以對各種機(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，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。⑤可使用高級計(jì)算機(jī)編程語言對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程。⑥便于修改機(jī)器人程序。

（1）編程關(guān)鍵步驟?機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，通過對工作單元進(jìn)行三維建模，在仿真環(huán)境中建立與現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境對應(yīng)的場景，采用規(guī)劃算法對圖形進(jìn)行控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。其中關(guān)鍵步驟如圖4所示。圖5 為采用FANUC 公司的Roboguide軟件進(jìn)行離線編程的一個實(shí)例。產(chǎn)品為大眾汽車模具的一部分，需要對其表面進(jìn)行激光熔覆，由于表面較為復(fù)雜，采用人工示教方式確定路徑幾無可能，故采用離線編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機(jī)器人和模具之間的幾何位置關(guān)系，然后根據(jù)特定的工藝進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線編程仿真，確認(rèn)無誤后下載到機(jī)器人控制中執(zhí)行，實(shí)踐證明取得了較好的效果。

線編程中的關(guān)鍵步驟

圖5 基于Roboguide的離線編程和仿真

（2）商業(yè)離線編程軟件 一般包括:?幾何建模功能、基本模型庫、運(yùn)動學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規(guī)劃功能、自動編程功能、多機(jī)協(xié)調(diào)編程與仿真功能。目前市場上常用的離線編程軟件有：加拿大 Robot Simualtion公司所開發(fā)的Workspace離線編程軟件；以色列 Tecnomatix 公司所開發(fā)開的ROBCAD離線編程軟件；美國 Deneb Robotics 公司所開發(fā)的IGRIP離線編程軟件；A B B機(jī)器人公司開發(fā)基于 Windows 操作系統(tǒng)的RobotStudio離線編程軟件。

此外日本安川公司開發(fā)了MotoSim離線編程軟件，F(xiàn)ANUC公司開發(fā)了Roboguide離線編程軟件，可對系統(tǒng)布局進(jìn)行模擬，確認(rèn)TCP的可達(dá)性，是否干涉，也可進(jìn)行離線編程仿真，然后將離線編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機(jī)器人中執(zhí)行。

（3）現(xiàn)有離線編程軟件與當(dāng)前需求的差距?由于離線編程不占用機(jī)器人在線時間，提高了設(shè)備利用率，同時離線編程技術(shù)本身是CAD / CAM一體化的組成部分，可以直接利用CAD數(shù)據(jù)庫的信息，大大減少了編程時間，這對于復(fù)雜任務(wù)是非常有用的。

但由于目前商業(yè)化的離線編程軟件成本較高，使用復(fù)雜，所以對于中小型機(jī)器人企業(yè)用戶而言，軟件的性價比不高。

另外，目前市場上的離線編程軟件還沒有一款能夠完全覆蓋離線編程的所有流程，而是幾個環(huán)節(jié)獨(dú)立存在。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的弧焊，離線編程環(huán)節(jié)中的路徑標(biāo)簽建立、軌跡規(guī)劃、工藝規(guī)劃是非常繁雜耗時的。擁有數(shù)百條焊縫的車身要創(chuàng)建路徑標(biāo)簽，為了保證位置精度和合適的姿態(tài)，操作人員可能要花費(fèi)數(shù)周的時間。盡管像碰撞檢測、布局規(guī)劃和耗時統(tǒng)計(jì)等功能已包含在路徑規(guī)劃和工藝規(guī)劃中，但到目前為止，還沒有離線編程軟件能夠提供真正意義上的軌跡規(guī)劃，而工藝規(guī)劃則依賴于編程人員的工藝知識和經(jīng)驗(yàn)。

3. 自主編程技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測量傳感技術(shù)日益成熟，人們開始研究以焊縫的測量信息為反饋，由計(jì)算機(jī)控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。

（1）基于激光結(jié)構(gòu)光的自主編程?基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主規(guī)劃其原理是將結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機(jī)器人的末端，形成“眼在手上”的工作方式，如圖6所示，利用焊縫跟蹤技術(shù)逐點(diǎn)測量焊縫的中心坐標(biāo)，建立起焊縫軌跡數(shù)據(jù)庫，在焊接時作為焊槍的路徑。

圖6 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主編程

韓國Pyunghyun Kim 將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在 6 自由度焊接機(jī)器人末端，對結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自由表面焊縫進(jìn)行了自主示教。在焊縫上建立了一個隨焊縫軌跡移動的坐標(biāo)來表達(dá)焊縫的位置和方向，并與連接類型（搭接、對接、V 形）結(jié)合形成機(jī)器人焊接路徑，其中還采用了 3 次樣條函數(shù)對空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合，避免了常規(guī)的直線連接造成的誤差，如圖7所示。

圖7 傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑

?。?）基于雙目視覺的自主編程?基于視覺反饋的自主示教是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑自主規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，其主要原理是：在一定條件下，由主控計(jì)算機(jī)通過視覺傳感器沿焊縫自動跟蹤、采集并識別焊縫圖像，計(jì)算出焊縫的空間軌跡和方位（即位姿），并按優(yōu)化焊接要求自動生成機(jī)器人焊槍(Torch)的位姿參數(shù)。

（3）多傳感器信息融合自主編程?有研究人員采用力控制器，視覺傳感器以及位移傳感器構(gòu)成一個高精度自動路徑生成系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖8所示，該系統(tǒng)集成了位移、力、視覺控制，引入視覺伺服，可以根據(jù)傳感器反饋信息來執(zhí)行動作。該系統(tǒng)中機(jī)器人能夠根據(jù)記號筆所繪制的線自動生成機(jī)器人路徑，位移控制器用來保持機(jī)器人T C P點(diǎn)的位姿，視覺傳感器用來使得機(jī)器人自動跟隨曲線，力傳感器用來保持TCP點(diǎn)與工件表面距離恒定。

圖8 基于視覺、力和位置傳感器的路徑自動生成系統(tǒng)

4. 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的編程技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時地計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并互動，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維物體融合到現(xiàn)實(shí)場景中，加強(qiáng)了用戶同現(xiàn)實(shí)世界的交互。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于機(jī)器人編程具有革命性意義。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬的空間信息，它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)揮了動畫仿真的優(yōu)勢并提供了現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺虛擬的飛機(jī)清洗機(jī)器人模型被應(yīng)用于按比例縮小的飛機(jī)模型?？刂铺摂M的機(jī)器人針對飛機(jī)模型沿著一定的軌跡運(yùn)動，進(jìn)而生成機(jī)器人程序，之后對現(xiàn)實(shí)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定和編程。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)（RPAR）能夠在虛擬環(huán)境中沒有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機(jī)器人離線編程。由于能夠?qū)⑻摂M機(jī)器人添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所以當(dāng)需要原位接近的時候該技術(shù)是一種非常有效的手段，這樣能夠避免在標(biāo)定現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)編程的架構(gòu)如圖9所示，由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規(guī)劃以及路徑規(guī)劃的虛擬機(jī)器人仿真和現(xiàn)實(shí)機(jī)器人驗(yàn)證等環(huán)節(jié)組成。

圖9 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程架構(gòu)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)能夠發(fā)揮離線編程技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢，比如減少機(jī)器人的停機(jī)時間，安全性性好，操作便利等。由于基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)采用的策略是路徑免碰撞、接近程度可縮放，所以該技術(shù)可以用于大型機(jī)器人的編程，而在線編程技術(shù)則難以做到。

三、編程技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，智能控制，網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，未來的機(jī)器人編程技術(shù)將會發(fā)生根本的變革， 主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①編程將會變得簡單、快速、可視、模擬和仿真立等可見。②基于視覺、傳感，信息和大數(shù)據(jù)技術(shù)，感知、辨識、重構(gòu)環(huán)境和工件等的CAD模型，自動獲取加工路徑的幾何信息。③基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)編程的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、可視化。④基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)離線編程和真實(shí)場景的互動。⑤根據(jù)離線編程技術(shù)和現(xiàn)場獲取的幾何信息自主規(guī)劃加工路徑、焊接參數(shù)并進(jìn)行仿真確認(rèn)。

總之，在不遠(yuǎn)的將來，傳統(tǒng)的在線示教編程將只在很少的場合得到應(yīng)用，比如空間探索、水下、核電等，而離線編程技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD /CAM、視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)深度融合，自動感知、辨識和重構(gòu)工件和加工路徑等，實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動糾偏和自適應(yīng)環(huán)境。

四、結(jié)語

（1）在線編程方式簡單易學(xué)，適合應(yīng)用于復(fù)雜度低、工件幾何形狀簡單的場合；離線編程方式適合加工任務(wù)復(fù)雜的場合，比如復(fù)雜的空間曲線、曲面等；而自主編程或輔助示教則大大提高了機(jī)器人的適應(yīng)性，代表了編程技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（2）在未來，離線編程技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD / CAM、視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)深度融合，自動感知、辨識和重構(gòu)工件和加工路徑等，實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動糾偏和自適應(yīng)環(huán)境。