工業(yè)機(jī)器人仿真與軌跡規(guī)劃

范振全， 孔維政

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是可以自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)械裝置，靠自身動(dòng)力和控制能力實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成[1,2]。它可以通過人類手動(dòng)控制來工作，也可以通過PLC編程等其他編程方式實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制。目前市場(chǎng)上使用的大多工業(yè)機(jī)器人都是通過編寫內(nèi)部程序進(jìn)行自動(dòng)化控制。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用十分廣泛，包括碼垛、焊接、噴涂、組裝、采集和放置、產(chǎn)品檢測(cè)和測(cè)試等多種行業(yè)，所有工作的完成都具有準(zhǔn)確性、高效性、速度和持久性[3,4]。但是目前工業(yè)機(jī)器人工作效率仍然具有很大的提升空間，這就需要我們進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的仿真與軌跡規(guī)劃，規(guī)劃的任務(wù)是根據(jù)給定的路徑點(diǎn)規(guī)劃出通過這些點(diǎn)并滿足邊界約束條件的光滑的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，提高效率，節(jié)省工作時(shí)間，達(dá)到在最短的時(shí)間內(nèi)完成工作要求的目的，仿真的任務(wù)是通過模擬規(guī)劃路徑，看是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。本文以IRB5400-12噴涂機(jī)器人為例進(jìn)行仿真與規(guī)劃路線。

1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.1 IRB5400-12機(jī)器人

IRB 5400-12機(jī)器人是一個(gè)ABB公司 IRB 5400噴涂機(jī)器人型號(hào)中的一支，擁有正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、噴涂精度高、漆料耗用少、工作節(jié)拍短以及有效集成涂裝設(shè)備等諸多優(yōu)勢(shì)。還包括工作范圍大、負(fù)載能力強(qiáng)及運(yùn)行可靠性高等其他優(yōu)點(diǎn)。IRB5400-12規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 機(jī)器人參數(shù)表

現(xiàn)實(shí)中使用機(jī)器人時(shí)要根據(jù)表中所給參數(shù)數(shù)據(jù)正確使用機(jī)器人，防止不正當(dāng)使用造成機(jī)器人關(guān)節(jié)損傷等其他問題，破壞機(jī)器人工作的穩(wěn)定性，影響其工作精度及質(zhì)量。

1.2 建立仿真模型

在ABB機(jī)器人仿真軟件RobotStudio里面建立機(jī)器人空工作站，首先打開機(jī)器人的三維工作區(qū)域顯示，放置工件要放置在機(jī)器人所能達(dá)到的三維工作區(qū)域內(nèi)，如圖1所示，只有這樣創(chuàng)建示教指令的時(shí)候才不會(huì)出現(xiàn)示教指令在機(jī)器人工作區(qū)域外的情況。

圖1 機(jī)器人工作區(qū)域3D展示

放置好工件后，第一步在機(jī)器人系統(tǒng)選項(xiàng)中選擇從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，創(chuàng)建機(jī)器人仿真系統(tǒng)。第二步選擇創(chuàng)建工件坐標(biāo)，在用戶坐標(biāo)框架中選擇三點(diǎn)建坐標(biāo)系Wobj1，依次選擇工件三個(gè)點(diǎn)。第三步在路徑選項(xiàng)中選擇空路徑，生成一個(gè)空路徑Path10。第四步點(diǎn)擊手動(dòng)線性命令，將機(jī)器人噴槍放置在合適的位置，設(shè)置工作命令Movej*v300 fine MyToolWobj:=Wobj1,點(diǎn)擊示教指令，創(chuàng)建第一個(gè)示教目標(biāo)點(diǎn)，將機(jī)器人噴槍通過手動(dòng)線性命令移動(dòng)到工件一角，點(diǎn)擊示教指令，創(chuàng)建第二個(gè)示教目標(biāo)點(diǎn)，修改工作命令MoveL*v300 fineMyToolWobj:=Wobj1,移動(dòng)噴槍至下一角點(diǎn)，依次建立四個(gè)角點(diǎn)的示教指令，然后將噴槍拖離工件至合適的位置，點(diǎn)擊示教指令，所有示教指令設(shè)置完畢。第五步在左側(cè)工具欄找到Path10右鍵點(diǎn)擊到達(dá)能力，若顯示如圖2所示，則說明所建示教指令均在機(jī)器人工作空間范圍內(nèi)，不存在死點(diǎn)等狀況問題。第六步右鍵點(diǎn)擊Path10，找到沿著路徑運(yùn)動(dòng)指令，點(diǎn)擊，仿真系統(tǒng)上電運(yùn)行，則可以觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及噴槍所走軌跡，如圖3所示。第七步在同步選項(xiàng)中選擇同步到RAPID指令，然后在控制器選項(xiàng)中選擇示教器命令，打開，通過主函數(shù)添加指令到程序中完成RAPID語言到RAPID程序的轉(zhuǎn)換。

通過建立ABB機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，我們可以通過仿真直觀的觀察到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，這可以為下面更好地機(jī)器人軌跡規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

圖2 示教目標(biāo)點(diǎn)到達(dá)能力

圖3 仿真系統(tǒng)運(yùn)行

2 軌跡規(guī)劃

機(jī)器人軌跡規(guī)劃是為了保證機(jī)器人更快的完成既定任務(wù)，軌跡規(guī)劃就是要規(guī)劃?rùn)C(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度，使其每次運(yùn)動(dòng)的角度都達(dá)到最優(yōu)效果。

在三維建模軟件Creo Parametric中建立六自由度機(jī)器人模型，如圖4所示。

圖4 六自由度機(jī)器人模型

在其關(guān)節(jié)一位置放置一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，設(shè)定速度為10 deg/sec,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)分析，設(shè)定運(yùn)行一周時(shí)間為36 s，最后測(cè)量整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)一處的位置、速度和加速度曲線，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 測(cè)量曲線

在圖5中可以看出隨著時(shí)間的變化，機(jī)器人位置呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，速度保持恒定為10 deg/sec，加速度一直為0。

其次進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)分析，在其關(guān)節(jié)一位置放置一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，設(shè)定加速度為1 deg/sec2,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)分析，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為10 s，最后測(cè)量整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)一處的位置、速度和加速度曲線，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 測(cè)量曲線

在圖6中可以看出隨著時(shí)間的變化，機(jī)器人位置增長(zhǎng)越來越快，速度保持線性增長(zhǎng)，5 s過后速度達(dá)到10 deg/sec，加速度一直為1 deg/sec2。

通過以上兩個(gè)測(cè)量結(jié)果可以總結(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度的變化規(guī)律，從而求出其運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)角度的變化，保證我們得到最精確的角度數(shù)值。以第二次實(shí)驗(yàn)分析為例，在1 s的時(shí)間內(nèi)機(jī)器人關(guān)節(jié)一運(yùn)動(dòng)角度從0度變到了1度，通過公式

可以得到，由此可以推廣到機(jī)器人從一個(gè)初始位置到終點(diǎn)位置角度的變化?？梢詫⒁欢喂ぷ骶嚯x分隔成若干段，運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成最優(yōu)的關(guān)節(jié)角度，每運(yùn)動(dòng)一次確定一個(gè)最優(yōu)路徑點(diǎn)，最后將點(diǎn)通過仿真軌跡連接起來，得到最后規(guī)劃的路徑軌跡。

3 總結(jié)

本文基于ABB工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)以及Creo Parametric三維建模軟件，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的仿真進(jìn)行了研究，隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，六軸工業(yè)機(jī)器人作為主要生產(chǎn)設(shè)備之一，必將得到大力推廣。

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床價(jià)格高昂，加工成本高，且噪音大，污染重，越來越不符合當(dāng)代發(fā)展理念，故機(jī)器人替代數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)加工和雕刻趨勢(shì)也越來越明顯，但機(jī)器人作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，許多技術(shù)方面仍有很大的發(fā)展空間[5]。軌跡規(guī)劃方面就需要人們加大資金、精力等的投入進(jìn)行研究，故本文對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置、速度和加速度進(jìn)行了仿真計(jì)算，但如果機(jī)器人能與視覺系統(tǒng)結(jié)合起來，通過視覺采集所需要加工的位置，則可以實(shí)現(xiàn)路徑的全自動(dòng)導(dǎo)航及精確控制[6]。

因此,工業(yè)機(jī)器人的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然需要進(jìn)一步研究,其現(xiàn)實(shí)意義是將會(huì)增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),釋放更多勞動(dòng)力，而且軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)智能化程度的提高將會(huì)使人類進(jìn)入一個(gè)新的全自動(dòng)化時(shí)代,推進(jìn)工業(yè)文明的進(jìn)程。

[1] 賴文峰,趙興龍.機(jī)器人在單元化生產(chǎn)中的應(yīng)用設(shè)想[J].金屬加工(冷加工),2013(20):24-26.

[2] 徐海黎,解祥榮,莊健,等.工業(yè)機(jī)器人的最優(yōu)時(shí)間與最優(yōu)能量軌跡規(guī)劃[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(9):19-25.

[3] 高巖.工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽：中國(guó)科學(xué)院研究生院(沈陽計(jì)算技術(shù)研究所),2014.

[4] 王寧.工業(yè)機(jī)器人切割路徑的視覺識(shí)別及軌跡規(guī)劃研究[D].太原：中北大學(xué),2017.

[5] 張健.工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2014.

[6] 李春.基于機(jī)器視覺的焊接工件識(shí)別與焊接軌跡校正方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2015.