工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)磨拋仿真控制的研究

林少丹

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序來(lái)變動(dòng)的多功能機(jī)器［1］。針對(duì)五金鑄件的外表面幾何形狀變化多樣、幾何細(xì)節(jié)復(fù)雜、工件的成型變形等特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)具有智能化高效拋光的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)能根據(jù)被拋光工件的實(shí)體模型進(jìn)行視覺(jué)位置標(biāo)定、工件拋光要求以及拋光機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)拋光軌跡規(guī)劃的自動(dòng)生成，并具有磨拋路徑校正補(bǔ)償、磨拋路徑自學(xué)習(xí)、磨拋工具與工件接觸力自適應(yīng)以及拋光補(bǔ)拋等功能。

1 工業(yè)機(jī)器人仿真控制技術(shù)

1.1 機(jī)器人視覺(jué)位置標(biāo)定

視覺(jué)（CCD）功能需結(jié)合視覺(jué)、視覺(jué)軟件進(jìn)行聯(lián)合工作。機(jī)器人配置視覺(jué)系統(tǒng)后，可以在沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)的示教點(diǎn)位工作情況下，還能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行定位。視覺(jué)系統(tǒng)的作用是進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并將定位后的準(zhǔn)確位置傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人就運(yùn)行到該位置。因此準(zhǔn)確配置視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器人示教系統(tǒng)能否成功運(yùn)作的前提條件。

CCD系統(tǒng)不能同時(shí)在機(jī)器人控制器上運(yùn)行，必須獨(dú)立運(yùn)行在另一臺(tái)控制機(jī)上，最后通過(guò)RS232串口與機(jī)器人進(jìn)行通訊。機(jī)器人系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)之間是通過(guò)RS232進(jìn)行通信。為此，必須建立視覺(jué)通信協(xié)議。其通信主體協(xié)議如圖1所示。

圖1 視覺(jué)系統(tǒng)通信主體協(xié)議

如上圖所示，主體協(xié)議分為2部分：

（1）機(jī)器人控制系統(tǒng)向視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)送模板名稱，其格式為：｛M：模板名｝。

（2）視覺(jué)系統(tǒng)將N個(gè)識(shí)別結(jié)果反饋回給機(jī)器人控制器，對(duì)于每一個(gè)識(shí)別返回3個(gè)數(shù)據(jù)值：像素坐標(biāo)X方向值、像素坐標(biāo)Y方向值、像素坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度值。N個(gè)識(shí)別對(duì)象，將返回所有的數(shù)據(jù)值給機(jī)器人控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)格式為：｛V：x1 y1angle1；x2 y2angle2；...；xn yn anglen；｝。

1.2 視覺(jué)固定

在CCD固定時(shí)，采用的固定步驟包括以下幾步：

（1）將機(jī)器人回到零點(diǎn)位置；

（2）CCD懸掛，將視覺(jué)懸掛于機(jī)器人正上方，根據(jù)精度和工作范圍的要求確定視覺(jué)的懸掛高度和位置。固定時(shí)應(yīng)盡量做到視覺(jué)的平面與工作面平行；懸掛時(shí)請(qǐng)注意視覺(jué)的末端要高于機(jī)器人的最高點(diǎn)，防止機(jī)器運(yùn)行時(shí)撞壞視覺(jué)設(shè)備。

（3）糾正視覺(jué)安裝方向，確保CCD中X坐標(biāo)方向與機(jī)器人X坐標(biāo)軸方向相同，盡量做到一致。之間夾角不能過(guò)大，需在－90°～90°。如圖2所示。

圖2 機(jī)器人坐標(biāo)系和CCD坐標(biāo)系示意圖

2 示教系統(tǒng)研發(fā)

完成了視覺(jué)標(biāo)定功能后，示教控制則是仿真示教器的重要模塊。當(dāng)今世界上大部分的工業(yè)機(jī)器人仍然是以示教再現(xiàn)的方式進(jìn)行工作。本系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人是以ABB的6軸工業(yè)機(jī)器人為模型，而ABB的工業(yè)機(jī)器人同樣也是以示教方式進(jìn)行工作，因此在本仿真示教器軟件中，對(duì)示教功能進(jìn)行了仿真［2］。

磨拋機(jī)器人不僅要求控制定位，還需要對(duì)定位點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)路徑和移動(dòng)速度等加以精確的控制，所以需采用CP控制方式。實(shí)施CP控制方式，必須對(duì)機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行示教。本課題所研究的用于磨拋加工的機(jī)器人采用PTP示教CP插補(bǔ)再現(xiàn)型的示教方式。對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑上的代表點(diǎn)進(jìn)行示教，同時(shí)也對(duì)它們之間的軌跡形狀（例如，直線、圓弧等）進(jìn)行示教，待機(jī)器人進(jìn)行在線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)插補(bǔ)等運(yùn)算進(jìn)行復(fù)原。機(jī)器人示教系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人示教系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3 磨拋機(jī)器人路徑規(guī)劃及位置控制

磨拋機(jī)器人路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人磨拋?zhàn)鳂I(yè)的要求，對(duì)其末端操作器在工作過(guò)程中位姿變化的路徑、取向及變化速度和加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和設(shè)定，它是磨拋機(jī)器人控制的依據(jù)，所有控制的目的都在于精確實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)。磨拋機(jī)器人位置控制技術(shù)是指已知磨拋機(jī)器人幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位姿，求機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量的值，并同時(shí)進(jìn)行速度控制。

3.1 擬解決的技術(shù)難點(diǎn)

針對(duì)中小型水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品存在種類(lèi)多、形狀各異以及加工要求多樣的特點(diǎn)，在磨拋機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)合理優(yōu)化布置的前提下，結(jié)合磨拋對(duì)象這些特點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃和位置控制研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度通用化作業(yè)任務(wù)。機(jī)器人的路徑規(guī)劃除了需要考慮完成作業(yè)任務(wù)的基本需求外，還需考慮機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的沖擊、避障及保障操作員安全等要求。

3.2 磨拋機(jī)器人路徑規(guī)劃

本課題首先采用空間矢量計(jì)算方法建立空間直線插值方程，通過(guò)建立新坐標(biāo)系和推導(dǎo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣得到空間圓弧的插值方法，采用三次樣條曲線插值空間位置得到樣條軌跡［3］。然后，采用B樣條曲線插值關(guān)節(jié)位置—時(shí)間節(jié)點(diǎn)序列，得到關(guān)節(jié)位置、速度、加速度、加加速度均連續(xù)的軌跡，且軌跡起始和終止位置的速度、加速度和加加速度可以任意配置，有效解決了機(jī)器人的平滑軌跡規(guī)劃和軌跡動(dòng)態(tài)拼接問(wèn)題。最后，將機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度、加速度和加加速度約束轉(zhuǎn)化為B樣條曲線的控制頂點(diǎn)約束，并適當(dāng)放寬約束條件，進(jìn)一步規(guī)劃出時(shí)間最優(yōu)且加速度連續(xù)的軌跡。為提高機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平滑性，將關(guān)節(jié)加加速度累積效果作為優(yōu)化指標(biāo)，采用優(yōu)化算法搜索具有運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和運(yùn)動(dòng)時(shí)間約束的最小加加速度累積指數(shù)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而得到最優(yōu)平滑軌跡，為避免關(guān)節(jié)加速度突變、延長(zhǎng)關(guān)節(jié)使用壽命提供了理想的軌跡。

3.3 磨拋機(jī)器人位置控制技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人位置控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制（如圖4所示）。為了水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品磨拋加工的需求，本課題研發(fā)的磨拋機(jī)器人將采用連續(xù)軌跡控制。其特點(diǎn)是連續(xù)控制工業(yè)機(jī)器人手爪（或工具）的位姿軌跡，要求速度可控、軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)［4］。

圖4 連續(xù)軌跡位置控制方式

為實(shí)現(xiàn)位置的連續(xù)控制，磨拋機(jī)器人可通過(guò)插補(bǔ)算法，多軸協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)精確的空間軌跡跟蹤。在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機(jī)器人按預(yù)定的指令，控制運(yùn)動(dòng)部件的速度和實(shí)行加、減速，以滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的要求。

由上述方法在離線仿真軟件中實(shí)現(xiàn)了仿真示教盒后進(jìn)行示教。本系統(tǒng)的示教界面如圖5。利用軟件界面上的調(diào)節(jié)按鈕，可以慢速地控制仿真系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并完成示教的實(shí)際要求。

圖5 仿真示教器界面

手動(dòng)調(diào)節(jié)中，脈沖單位時(shí)：“＋”表示逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手臂；“－”表示順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手臂（如圖6）；毫米單位時(shí)：“＋”表示沿X或Y正軸方向作直線移動(dòng)；“－”表示沿X或Y負(fù)軸方向作直線移動(dòng)。其中對(duì)于Z軸，“＋”表示向下移動(dòng)，“－”表示向上移動(dòng)。

為了安全操作機(jī)器人，手動(dòng)運(yùn)行的速度設(shè)置不易過(guò)高，為此軟件中自動(dòng)設(shè)置手動(dòng)運(yùn)行速度上限為20%，也即可設(shè)速度為0.1%～20%。

4 示教調(diào)節(jié)運(yùn)行

點(diǎn)擊各軸的手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕“＋”、“－”對(duì)機(jī)械手進(jìn)行位置的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)模式有2種：一種是以“脈沖”為單位的單軸運(yùn)動(dòng)模式，一種是以“mm”為單位的直線軌跡運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)以“脈沖”單位進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，是單獨(dú)控制各軸作單一運(yùn)動(dòng)；當(dāng)以“mm”為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械手將在空間坐標(biāo)系的XYZ方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，R軸的位置代表末端相對(duì)于基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度。在“脈沖”模式下各軸的運(yùn)動(dòng)（除了Z軸）都是以軸中心作為軸線，以臂長(zhǎng)作為半徑作圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖6解析了Y軸的正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)，正向運(yùn)動(dòng)（逆時(shí)針?lè)较颍┙嵌圈?，負(fù)向運(yùn)動(dòng)（順時(shí)針?lè)较颍│?角度，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，Y臂是以Y軸為中心，以Y臂長(zhǎng)度為半徑作圓弧運(yùn)動(dòng)，其他軸都沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

圖7解析了X軸的正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)，同Y軸一樣，在脈沖模式下X臂也作圓弧運(yùn)動(dòng)，根據(jù)幾何知識(shí)可知，末端點(diǎn)也在沿一定的標(biāo)準(zhǔn)圓弧軌跡移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，X臂和Y臂之間的夾角一直不變。

圖6 脈沖模式下手動(dòng)運(yùn)行Y軸運(yùn)行過(guò)程解析圖

圖7 脈沖模式下手動(dòng)運(yùn)行X軸運(yùn)行過(guò)程解析圖

Z軸不論是在“脈沖”模式下還是在“mm”模式下，其運(yùn)行方向只有上下，也只作單軸運(yùn)動(dòng)。在功能上比較獨(dú)立，因此，不再論述Z軸的運(yùn)行情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所討論的是工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)位置標(biāo)定，示教和磨拋軌跡規(guī)劃等仿真控制中的主要模塊。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

（1）結(jié)合拋光機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，通過(guò)分解拋光動(dòng)作、確定工件拋光姿態(tài)及位置與拋光軌跡的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的拋光路徑軌跡規(guī)劃生成。

（2）首先采用空間矢量計(jì)算方法建立空間直線插值方程，通過(guò)建立新坐標(biāo)系和推導(dǎo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣得到空間圓弧的插值方法，采用三次樣條曲線插值空間位置得到樣條軌跡，從而準(zhǔn)確得到機(jī)器人磨拋軌跡的方法。

目前還待解決的技術(shù)難點(diǎn)：

（1）在不規(guī)則與多變的復(fù)雜曲面，進(jìn)行精確的三維建模技術(shù)。

（2）在有較高工藝要求及曲面要求時(shí)，所生成磨拋示教軌跡有待更加優(yōu)化的虛擬仿真與修正技術(shù)。

通過(guò)上述方法構(gòu)建磨拋機(jī)器人仿真控制軟件系統(tǒng)降低了在線示教的時(shí)間，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)效率有了很大的提高［5］。

［1］劉克.工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)磨拋系統(tǒng)［J］.福建農(nóng)機(jī)，2010（4）：39－41.

［2］夏發(fā)平.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［3］林少丹，傅高升，劉克，等.自動(dòng)磨拋系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人示教操作過(guò)程分析［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（3）：35－37.

［4］張智勇.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真及作業(yè)仿真系統(tǒng)［D］.上海：上海大學(xué)，2005.

［5］林少丹，傅高升.基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)磨拋系統(tǒng)柔性加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，27（5）：66－68.