通用型工業(yè)機器人拖動示教臂系統(tǒng)的研究

邰文濤 芮 鵬

（哈工大機器人集團(tuán)股份有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

0 引言

工業(yè)機器人能夠替代人工進(jìn)行某些單調(diào)、繁重和重復(fù)的長時間作業(yè)或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，其通用性強，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量能夠得到保障。工業(yè)機器人的操作示教方式多種多樣，本文將概述現(xiàn)有市場的示教編程方式并設(shè)計出一套新型的拖動示教系統(tǒng)。

1 離線示教編程

離線編程是通過軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境，然后軟件可以根據(jù)要加工零件的大小、形狀、材料，同時配合軟件操作者的一些操作，自動生成機器人的運動軌跡，即控制指令，然后在軟件中仿真與調(diào)整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。離線編程克服了在線示教編程的很多缺點，充分利用了計算機的功能，減少了編寫機器人程序所需要的時間成本，同時也降低了在線示教編程的不便。目前離線編程廣泛應(yīng)用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等機器人新興應(yīng)用領(lǐng)域。

離線編程有以下優(yōu)點：

（1）能夠根據(jù)虛擬場景中的零件形狀，自動生成復(fù)雜加工軌跡。

（2）可以控制大部分主流機器人。

（3）可以進(jìn)行軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼的生成。

（4）可以進(jìn)行碰撞檢測。

（5）生產(chǎn)線不需要停止運行。

離線編程有以下缺點：

（1）對于簡單軌跡的生成，它沒有示教編程效率高，例如在搬運、碼垛以及點焊上的應(yīng)用，這些應(yīng)用只需示教幾個點，用示教器很快就可以搞定，而對于離線編程來說，還需要搭建模型環(huán)境，如果不是出于方案的需要，顯然這部分工作的投入與產(chǎn)出不成正比。

（2）模型誤差、工件裝配誤差、機器人絕對定位誤差等都會對其精度有一定的影響，我們需要采用各種辦法來盡量消除這些誤差。

2 示教器示教編程

通過操作示教盒，或由人工導(dǎo)引機器人末端執(zhí)行器，使機器人完成預(yù)期的動作，以獲取作業(yè)軌跡。相對于離線編程實用性強、操作簡便，因此大部分機器人都采用示教編程。示教是一種機器人的編程方法，分為三個步驟：（1）示教；（2）存儲；（3）再現(xiàn)。例如焊接機器人，它是按照事先編輯好的程序運動的，這個程序一般是由操作人員按照焊縫形狀示教機器人并記錄運動軌跡而形成的。目前，不像數(shù)控機床那樣有APT語言，機器人編程還沒有公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，各制造廠商有各自的機器人編程語言。

以ABB示教盒在線示教為例進(jìn)行分析：ABB示教盒應(yīng)用程序由主模塊和程序模塊組成，主模塊包含主程序，程序模塊包含程序數(shù)據(jù)和完成特定任務(wù)的例行程序。系統(tǒng)模塊包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)和例行程序，所有ABB機器人都自帶兩個系統(tǒng)模塊：USER模塊和BASE模塊，使用時對系統(tǒng)自動生成的任何模塊不能進(jìn)行修改。

通過對ABB機器人示教盒示教編程的分析，可以發(fā)現(xiàn)示教編程有以下優(yōu)缺點：

優(yōu)點：編程門檻低、簡單方便、不需要環(huán)境模型；對實際的機器人進(jìn)行示教時，可以修正機械結(jié)構(gòu)帶來的誤差。

缺點：

（1）示教在線編程過程繁瑣、效率低。

（2）精度完全是靠示教者目測決定的，而且對于復(fù)雜的路徑示教在線編程難以取得令人滿意的效果。

（3）示教器種類太多，學(xué)習(xí)量太大。

（4）示教過程容易發(fā)生事故，輕則撞壞設(shè)備，重則撞傷人。

（5）對實際的機器人進(jìn)行示教時要占用機器人。

3 牽引示教

牽引示教是指示教者在機器人末端上施加一定方向的力，通過電流檢測輸出6個分量的數(shù)據(jù)，指揮機器人做相應(yīng)的動作，然后記錄位置，完成示教工作。廣泛應(yīng)用于機器人手術(shù)、機械手臂研究、手指力研究以及精密裝配、自動磨削、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)等作業(yè)中，涉及航空航天、機械加工及汽車等各種行業(yè)。

牽引示教也稱為“力反饋示教”，其本質(zhì)是一種柔順控制，即讓機器人在用戶面前表現(xiàn)得似溫順的綿羊，用戶可以輕松隨意指揮它運動。目前市面上流行的解決方案是基于電流環(huán)開環(huán)控制，它的基本思路是使電機工作在電流環(huán)，電機盡量補償系統(tǒng)的重力矩及摩擦力矩，然后用戶就可以輕松地拖動機器人，這種方式很直觀。圖1是一個簡化的機器人關(guān)節(jié)模型，其中的彈簧相當(dāng)于力矩傳感器，初始時關(guān)節(jié)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

現(xiàn)在在連桿中施加外力矩τl，該力矩引起連桿運動，此運動可以很快地傳遞到彈簧（力矩傳感器）處。該力矩通過彈簧后繼續(xù)往后傳遞至減速器端，并嘗試推動減速器反向轉(zhuǎn)動，但由于減速器靜摩擦力的作用，外力矩τl繼續(xù)增大，當(dāng)大到超過了減速器的最大靜摩擦力時，減速器才會運轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)子也跟著運動起來，這時候，電流環(huán)才感知到了外力矩。

圖1 機器人關(guān)節(jié)簡化模型

基于此理論模型，工程師提出了一種基于力電反饋控制的拖動示教，其基本思路是通過濾波器估計出用戶力矩，再通過導(dǎo)納控制實現(xiàn)系統(tǒng)柔順性。

牽引示教有以下優(yōu)點：使用簡單方便，不需要環(huán)境模型，適用于各種復(fù)雜表面及結(jié)構(gòu)造型。

牽引示教有以下缺點：機器人本體成本過高，對檢測傳感器的精度要求高，機器人本體負(fù)載能力小。

4 通用型示教臂系統(tǒng)的研究

4.1 示教臂系統(tǒng)的研究概述

依據(jù)工業(yè)機器人理論建立示教臂運動學(xué)模型，求解運動學(xué)方程，實現(xiàn)示教臂關(guān)節(jié)信息到末端執(zhí)行器位姿狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?？紤]到機械加工和裝配引入的誤差，建立示教臂機械誤差補償模型，實現(xiàn)對示教臂運動學(xué)模型參數(shù)的修正。通過對執(zhí)行器末端偏移坐標(biāo)系的分析，優(yōu)化其坐標(biāo)系校準(zhǔn)模型，完成執(zhí)行器末端坐標(biāo)系快速校準(zhǔn)工作。設(shè)計示教臂本體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化示教臂結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能，從而實現(xiàn)通用性示教臂的設(shè)計與研究。

4.2 機器人示教臂齊次變換矩陣

任何一種物體在空間的位置和姿態(tài)都可以用齊次矩陣來表示，工業(yè)機器人運動的齊次變換矩陣如下：

本臺示教臂機器人各軸尺寸如圖2所示。

圖2 示教臂機器人模型參數(shù)（單位：mm）

本臺示教臂各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍如表1所示。

表1 示教臂各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍

通過以上參數(shù)及機器人示教臂齊次變換矩陣可求出示教臂機器人的運動變換方程。

4.4 示教臂數(shù)據(jù)采集及軟件

示教臂在各軸關(guān)節(jié)處均裝有高精度絕對值型編碼器，通過總線連接至PC，各軸分辨率達(dá)到80″，可精準(zhǔn)地捕獲各軸動作。同時為了進(jìn)一步提高精度，采用數(shù)據(jù)采集同步技術(shù)，保證在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)各軸數(shù)據(jù)均在同一時刻。

軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)各軸數(shù)據(jù)采集處理、機器人程序生成下載以及機器人運行控制。采用三維視景仿真技術(shù)，可在線實時觀察運行狀態(tài)。

4.5 拖動示教展示

圖3實際展示了示教臂機器人樣機與安川機器人MH12的動態(tài)聯(lián)動過程。人工拖動示教臂末端把手，在原始位置保持并停止，記為原點位置；將機器人復(fù)位至示教原點位置，即可實時動態(tài)聯(lián)動效果（連續(xù)動作）。

圖3 示教展示

5 結(jié)語

機器人快速編程系統(tǒng)正朝著一個智能化、專用化的方向發(fā)展，用戶操作越來越簡單方便，并且能夠快速生成控制程序。同時機器人快速編程技術(shù)對機器人的推廣應(yīng)用及其工作效率的提升有著重要的意義，簡單來說，如果沒有快速編程，也許機器人還只能干搬運、碼垛這些力氣活，永遠(yuǎn)無法成為打磨、噴涂、雕刻行業(yè)的新生代“工匠”。

針對某些產(chǎn)品面多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型號多的特點，目前示教盒示教和離線編程這兩種示教方式已難以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的編程要求；牽引示教能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜示教，但其成本過高，負(fù)載小，并沒有太多優(yōu)勢；而本文所述通用型示教臂示教方式能夠解決以上難題，使工業(yè)機器人示教更簡單、更快捷、成本更低。