基于動態(tài)鏈表的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計

Design of robot off-line programming system based on dynamic list

李　靜1，李　君2，郝衛(wèi)東2LI Jing1,　LI Jun2,　HAO Wei-dong2（1.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

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基于動態(tài)鏈表的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計

Design of robot off-line programming system based on dynamic list

李靜1，李君2，郝衛(wèi)東2
LI Jing1,LI Jun2,HAO Wei-dong2
（1.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

摘要：機(jī)器人離線編程系統(tǒng)主要是實現(xiàn)程序的編輯轉(zhuǎn)換和離線仿真分析，不同類型的系統(tǒng)其系統(tǒng)架構(gòu)很相似，且系統(tǒng)與C/C++有很好的兼容性。采用C/C++語言，對系統(tǒng)架構(gòu)和重要模塊進(jìn)行編程設(shè)計，可以提高系統(tǒng)的二次開發(fā)能力和程序的可移植能力。針對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理特點，提出了采用動態(tài)鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的方法，實現(xiàn)了語言指令到機(jī)器人可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)換。在MFC框架中，完成了離線編程仿真系統(tǒng)的設(shè)計。通過用戶界面輸入機(jī)器人語言程序，在仿真界面中輸出了仿真效果圖，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能實現(xiàn)機(jī)器人的離線編程和仿真。通過串口模塊，將機(jī)器人可執(zhí)行文件發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，控制川崎FS30N機(jī)器人進(jìn)行了焊接實驗。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；離線編程系統(tǒng)；架構(gòu)設(shè)計；動態(tài)鏈表

0　引言

工業(yè)機(jī)器人具有良好的可編程性，其編程能力決定了工業(yè)機(jī)器人功能的靈活性和智能性。離線編程系統(tǒng)能夠進(jìn)示教編程的不足，具有顯著的優(yōu)點[1]。離線編程系統(tǒng)在很大程度上滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，但是實用化程度不深，在人機(jī)界面的人性化設(shè)計、軌跡規(guī)劃算法、系統(tǒng)魯棒性及二次開發(fā)能力等技術(shù)需要進(jìn)步研究[2,3]。主流的離線編程系統(tǒng)有：基于VC++與OpenGL的離線編程系統(tǒng)[4]；借助MATLAB的數(shù)值計算和繪圖功能開發(fā)的具有維可視化功能的離線編程系統(tǒng)[5]；通過Solidworks 等維建模軟件的API接口進(jìn)行二次開發(fā)的離線編程系統(tǒng)[6,7]。這些編程系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)架構(gòu)都很類似，而且與C和C++都有很好的兼容性。

本文將對系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)。針對模塊的順序執(zhí)行特性和數(shù)據(jù)量不確定的特點，提出了采用動態(tài)鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的方法，并結(jié)合設(shè)計的軌跡規(guī)劃模塊，實現(xiàn)了語言指令到機(jī)器人可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)化。在MFC框架中，完成了離線編程系統(tǒng)的設(shè)計。

1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖1　離線編程系統(tǒng)工作流程圖

2　動態(tài)鏈表

程序模塊主要是程序編制功能，具有程序管理、程序編輯、指令集管理、自主編程、程序檢測及程序轉(zhuǎn)換功能，每個功能的實現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換和存儲，程序的數(shù)據(jù)處理能力將直接影響到系統(tǒng)的整體性能[8]。程序模塊的執(zhí)行是按照定規(guī)則順序單向執(zhí)行的，且數(shù)據(jù)量不確定，因此適合采用動態(tài)鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)處理流程圖

圖中，語言指令通過用戶界面或自動編程系統(tǒng)輸入，根據(jù)指令解析法則對指令集進(jìn)行語法分析和詞法分析，并生成指令序列和相應(yīng)的路徑點數(shù)據(jù)序列。根據(jù)指令序列分配動態(tài)內(nèi)存建立動態(tài)鏈表，將存儲路徑點信息的指針賦給動態(tài)鏈表中的指針變量Robot_Route，將指令字符串指針賦給指針變量Robot_Instruction，將結(jié)構(gòu)體指針變量R_TCBNext賦NULL值，將結(jié)構(gòu)體的指針賦給上個結(jié)點的結(jié)構(gòu)體指針變量R_TCBNext，將結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)指針Robot_Memory賦NULL值。所建立的動態(tài)鏈表的表頭指針存放在變量Robot_Head中，鏈表最后個結(jié)點的指針變量R_TCBNext的值為NULL。

遍歷建立的動態(tài)鏈表，將結(jié)構(gòu)體指針Robot_Cur和Robot_List指向鏈表頭指針Robot_Head，讀取結(jié)構(gòu)體中變量Robot_Instruction，如果存放的是控制指令，則讀取變量Robot_Cur-＞R_TCBNext，若為NULL，則遍歷結(jié)束，否則將結(jié)構(gòu)體指針Robot_List指向Robot_Cur-＞R_ TCBNext；如果存放的是運(yùn)動指令，則調(diào)用軌跡規(guī)劃函數(shù)，將Robot_Route中的路徑信息轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角序列，并存放在內(nèi)存中，并將存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存指針賦給結(jié)構(gòu)體變量Robot_Cur-＞Robot_Memory，如果變量Robot_ Cur-＞R_TCBNext的值為NULL，則遍歷結(jié)束，否則將結(jié)構(gòu)體指針Robot_List指向Robot_Cur-＞R_TCBNext。在進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試中，程序的修將調(diào)用鏈表的插入和刪除函數(shù)對動態(tài)鏈表進(jìn)行更，在編譯修后的程序時將只對插入的結(jié)點進(jìn)行計算，可以縮短程序編譯和修的時間，提高工作效率。

軌跡規(guī)劃完成后，所有信息都存放在動態(tài)鏈表中。機(jī)器人可執(zhí)行文件可以通過遍歷鏈表的方式生成。機(jī)器人運(yùn)動仿真也可以通過遍歷鏈表的方式進(jìn)行。通過運(yùn)動仿真和誤差分析后的機(jī)器人可執(zhí)行文件將以txt文件的形式保存。

3　軌跡規(guī)劃模塊設(shè)計

軌跡規(guī)劃的作用是按照運(yùn)動指令類型生成結(jié)點之間的路徑，其過程是在相鄰結(jié)點之間通過插補(bǔ)算法生成位姿點數(shù)據(jù)鏈，逆運(yùn)動學(xué)計算后進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃生成各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)鏈。算法功能樹如圖3所示。

圖3　軌跡規(guī)劃算法功能樹

圖中，將軌跡規(guī)劃分為運(yùn)動指令和自動編程指令。運(yùn)動指令適用于點、直線、圓弧等簡單軌跡的描述。自定義指令可以描述復(fù)雜的軌跡，而且可以通過指令讀取維模型軟件等方式生成的軌跡點數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)復(fù)雜軌跡的軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃程序流程圖如圖4所示。

圖4　軌跡規(guī)劃流程圖

在軌跡規(guī)劃計算過程中，以指針作為函數(shù)間參數(shù)傳遞的載體，數(shù)據(jù)的存取與轉(zhuǎn)化通過動態(tài)鏈表進(jìn)行操作，接口函數(shù)便可設(shè)計為如下的形式：

INT16* Robot_Track(struct Robot_tcb*);

函數(shù)中輸入?yún)?shù)為動態(tài)鏈表的結(jié)構(gòu)體指針，返回值為軌跡規(guī)劃后的數(shù)據(jù)塊指針。函數(shù)內(nèi)部通過函數(shù)指針調(diào)用插補(bǔ)算法、離散算法、逆運(yùn)動學(xué)計算等函數(shù)。為了便于函數(shù)的添加、編寫、調(diào)用，函數(shù)設(shè)計為統(tǒng)形式：

void* （*C_Track）(void*);

函數(shù)的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型是變化的，所以只能在函數(shù)中調(diào)用malloc()函數(shù)分配動態(tài)內(nèi)存，在完成軌跡規(guī)劃計算后再釋放分配的內(nèi)存資源，實現(xiàn)內(nèi)存資源的重復(fù)利用。采用統(tǒng)的函數(shù)類型和動態(tài)數(shù)據(jù)處理可以更方便的添加新的算法函數(shù)和對算法函數(shù)的修，更有利于對系統(tǒng)的進(jìn)和研究。

4　MFC程序設(shè)計

MFC集成了微軟公司提供的許多類庫，通過調(diào)用庫中的類可以實現(xiàn)絕大部分所需的功能，而且所開發(fā)的系統(tǒng)與MATLAB、Solidworks等軟件能完全兼容。所設(shè)計的離線編程系統(tǒng)用戶界面如圖5所示。

圖5　用戶界面

系統(tǒng)所采用的機(jī)器人語言是詹少坤等人開發(fā)的ZSK機(jī)器人語言[8]。運(yùn)動指令包括關(guān)節(jié)運(yùn)動指令MOVJ，直線運(yùn)動指令MOVL，圓弧運(yùn)動插補(bǔ)指令MOVC，點運(yùn)動指令MOVP以及用于復(fù)雜軌跡編程的指令MOVT等。系統(tǒng)具有程序編輯、離線仿真、串口通信、坐標(biāo)系參數(shù)設(shè)置等功能。機(jī)器人指令通過Edit編輯框控件輸入。在點擊“坐標(biāo)系設(shè)置”按鈕后，可以對工件坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。點擊主界面“仿真系統(tǒng)”按鈕，可以進(jìn)行離線仿真操作。點擊主界面的“保存”按鈕，將調(diào)用文件類CFile的成員函數(shù)，將機(jī)器人可執(zhí)行文件以txt文檔的形式保存。在通信模塊中，設(shè)置串口參數(shù)，并打開串口資源，點擊“下載”按鈕將彈出文檔打開對話框，打開保存的機(jī)器人可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件中的內(nèi)容將通過函數(shù)WriteFile下載至機(jī)器人控制柜控制機(jī)器人運(yùn)動。

5　實驗驗證

該離線編程系統(tǒng)是針對FS30L機(jī)器人開發(fā)的，在離線編程系統(tǒng)的工件坐標(biāo)系設(shè)置界面中輸入?yún)?shù)，在離線編程系統(tǒng)的輸入編輯框中依次輸入直線、圓弧、點、控制指令的代碼。點擊“編譯”按鈕，彈出編譯成功后，點擊“離線仿真”按鈕，在彈出的界面中點擊“開始”按鈕，離線仿真界面將顯示仿真結(jié)果。

圖6為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線圖，圖中的曲線連續(xù)且平滑，說明各關(guān)節(jié)運(yùn)動平穩(wěn)，速度和加速度小，機(jī)器人在運(yùn)動過程中沒用強(qiáng)烈的柔性和剛性沖擊。圖7為末端執(zhí)行器端點軌跡圖，圖中顯示的圖形與輸入的運(yùn)動指令所要求的運(yùn)動軌跡相同。表明，離線編程系統(tǒng)的設(shè)計是合理的。將通過離線編程和誤差分析驗證的機(jī)器人可執(zhí)行文件保存為txt文檔。連接好電腦與機(jī)器人控制柜的串口設(shè)備，設(shè)置串口通信參數(shù)，打開串口資源，點擊“下載”按鈕，將保存的txt文檔發(fā)送給控制柜，控制柜讀取數(shù)據(jù)控制機(jī)器人進(jìn)行焊接運(yùn)動。機(jī)器人焊接實驗現(xiàn)場效果圖如圖8所示。

實驗結(jié)果表明，機(jī)器人的焊接運(yùn)動與離線仿真結(jié)果相同，且焊縫的焊接質(zhì)量能滿足生產(chǎn)要求。

圖6　關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線圖

圖7　末端執(zhí)行器端點軌跡圖

6　結(jié)束語

針對機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，提出了采用動態(tài)鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的方法，實現(xiàn)了語言指令到機(jī)器人可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)換，對機(jī)器人軌跡規(guī)劃模塊的程序設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。以FS30N機(jī)器人為控制對像，在MFC框架中開發(fā)了離線編程系統(tǒng)，系統(tǒng)以ZSK語言為機(jī)器人編程語言，通過仿真界面輸出程序仿真結(jié)果，將通過仿真驗證和誤差分析的機(jī)器人可執(zhí)行文件發(fā)送給機(jī)器人控制柜控制機(jī)器人進(jìn)行焊接實驗，實驗結(jié)果顯示機(jī)器人的實際焊接運(yùn)動與仿真結(jié)果相同，且焊接質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。

圖8　機(jī)器人焊接實驗圖

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分析與探討

作者簡介：李靜（1983 -），女，陜西澄城縣人，講師，工學(xué)碩士，研究方向為機(jī)器人技術(shù)、電子技術(shù)應(yīng)用及開關(guān)電源等。

收稿日期：2015-12-19

中圖分類號：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0057-04