淺析工業(yè)機器人離線編程技術(shù)

張桂娟 苗艷杰

摘要：離線編程技術(shù)是發(fā)展工業(yè)機器人的一種重要的關(guān)鍵技術(shù)。首先介紹了離線編程的概念，同時進一步介紹了離線編程組成及其關(guān)鍵技術(shù)；最后介紹了離線編程現(xiàn)狀以及提出了離線編程發(fā)展前景。由此可知離線編程技術(shù)有著很大的實用價值，去研究離線編程技術(shù)具有很重要現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；離線編程；傳感器；軌跡規(guī)劃

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0194-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Analysis of Industrial Robot Offline Programming Technology

ZHANG Gui-juan， MIAO Yan-jie

（School of Mechatronics Engineering， Foshan University， Foshan 52800， China）

Abstract： Off-line programming technology is an important key technology for the development of industrial robots. Firstly， the concept of offline programming is introduced. At the same time， the composition of offline programming and its key technologies are introduced. Finally， the status quo of offline programming and the development prospect of offline programming are introduced. It can be seen that offline programming technology has great practical value. It is of great practical significance to study offline programming technology.

Key words： Industrial robot； Off line programming； sensor； Trajectory planning

近年來，人工智能AI掀起了一股熱潮，各國對人工智能AI尤其重視，特別是一些國家相應(yīng)地制定一系列的政策去重視，如：美國已經(jīng)把人工智能上升到國家戰(zhàn)略；德國重視的工業(yè)4.0在《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》里面提出；中國的《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，可見機器人影響著各國的未來。隨著我國社會老齡化不斷加劇，相應(yīng)的一線焊接勞動工人也隨之減少[1]，而伴隨著工業(yè)機器人的出現(xiàn)，解決了勞動力的問題，使得人力的解放[2]。在工業(yè)機器人領(lǐng)域中，焊接機器人是應(yīng)用最為廣泛的一種工業(yè)機器人[3]。目前國內(nèi)機器人加工依靠主要依靠示教編程完成[4][5]，但是教編程也存在著新任務(wù)需要停機示教、編程過程煩瑣、需要施教者有經(jīng)驗、生產(chǎn)效率低下、復(fù)雜軌跡難以精確示教等缺點[6-8]。與此同時，對于離線編程來說有如下優(yōu)點：直觀地看到編程結(jié)果、機器人不停機地工作、使用范圍廣、改善了編程環(huán)境、運動軌跡的規(guī)劃更加復(fù)雜、工作效率更高等[5][9][10]。

1離線編程系統(tǒng)概述

離線編程技術(shù)是關(guān)于在特定的軟件環(huán)境下，利用計算機圖形學(xué)的成果建立起機器人及它的工作環(huán)境模型，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下，通過軟件仿真與調(diào)整軌跡過程進行解釋或編譯產(chǎn)生目標程序代碼，將生成相應(yīng)的機器人程序代碼傳輸給機器人，讓機器人在實際環(huán)境中完成相對應(yīng)的任務(wù)[11]，即總體上流程這樣的，先建物理模型，再進行仿真和編程，最后對結(jié)果進行后置處理。離線編程系統(tǒng)主要由建模平臺與數(shù)據(jù)接口、運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃、三維圖形動態(tài)仿真、傳感器、通信接口和誤差校正組成[6]。

2 離線編程系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

離線編程系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有運動學(xué)計算和分析、軌跡規(guī)劃、程序模板等等，下面來介紹運動學(xué)計算和分析、軌跡規(guī)劃。

2.1 運動學(xué)計算和分析

機器人運動學(xué)求解算法對機器人系統(tǒng)離線編程或運動規(guī)劃的精度和速度的影響很大。由于不同機器人機械結(jié)構(gòu)參數(shù)不同、工作環(huán)境不同，需要具有適合的運動學(xué)求解算法才能很好地滿足機器人仿真和工作需要。一般采用D-H法來建立運動學(xué)模型[2][12]，在離線編程中的運動學(xué)控制模塊是用來約束機器人的動作過程，根據(jù)環(huán)境、任務(wù)的不同來建立運動學(xué)正逆解模塊最優(yōu)解。

2.2 軌跡規(guī)劃

軌跡規(guī)劃主要是指根據(jù)作業(yè)任務(wù)的相關(guān)要求，來計算出預(yù)期的相關(guān)運動軌跡。路徑點的運動學(xué)逆解和路徑插值是離線編程系統(tǒng)中軌跡規(guī)劃模塊的任務(wù)中主要的兩個問題。軌跡規(guī)劃方法主要有兩種：一種是關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法要給出軌跡關(guān)鍵點和路徑點的一系列約束；另一種笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法要給出參數(shù)化的路徑。其中笛卡爾空間規(guī)劃方法有直線和圓弧、S速度曲線、多項式、樣條曲線；而關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方法有三次多項式、高階多項式、梯形速度插補、三次樣條曲線[13]、NBRUS插補[14]。

3 離線編程現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

下面簡單介紹離線編程現(xiàn)在發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來向哪一方向進行完善。

3.1 離線編程現(xiàn)狀

工業(yè)機器人是在20世紀60年末由美國研發(fā)出來，國外對工業(yè)機器人離線編程的研究起步于70年代，而國內(nèi)機器人離線編程起步于90年代。相對來說國外在工業(yè)機器人離線編程的研究比較深入，如有來自加拿大的Robotmaster軟件、以色列的軟件RobotWorks軟件、德國西門子旗下的ROBCAD軟件和KUKA公司的KUKA SIM軟件、英國系統(tǒng)公司的Grasp軟件、法國達索旗下的DELMIA軟件、日本的FANUC公司RobotGuide軟件和安川電機株式會社的MotoSim EG軟件、瑞士ABB公司的RobotStudio軟件，這些編程軟件在面向?qū)ο蠓矫孀龅帽容^好，它們分別在生成軌跡、仿真、后置處理等方面有著自己的優(yōu)勢。而我國相對較好的離線編程軟件是來自北京的Robot Art軟件，能應(yīng)用于大部分主流工業(yè)機器人，也能很好地生成相應(yīng)的軌跡，它在國內(nèi)機器人領(lǐng)域是比較先進的。

3.2 離線編程發(fā)展趨勢

離線編程可以從某些方面進行研究推動其發(fā)展，下面淺談了關(guān)于從兩個方面去完善離線編程技術(shù)：

1） 傳感器技術(shù)的應(yīng)用。目前對離線編程實際應(yīng)用影響比較大的是機器人絕對定位精度。我們需要收集更多仿真與實際應(yīng)用差別的信息，利用這些信息量弄成相應(yīng)的算法制成相應(yīng)的傳感器，能減少由于環(huán)境不同帶來的機器人絕對定位精度。

2） 研究軌跡規(guī)劃方法，現(xiàn)在的軌跡規(guī)劃方法能解決基本問題，也存在著缺點。以后利用流形與圖論結(jié)合起來應(yīng)用在軌跡規(guī)劃上，能從幾何層面的理論高度上給出一個通用、廣泛通用的軌跡研究方法。

4 結(jié)論

離線編程技術(shù)將發(fā)揮著越來越大的作用。一方面工業(yè)機器人將會漸漸地應(yīng)用到生產(chǎn)領(lǐng)域上，未來的生產(chǎn)將會慢慢形成一種先進的柔性生產(chǎn)制造，另一個方面在機器人培訓(xùn)領(lǐng)域，是未來機器人的必然的示教方式，因而離線編程對工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展起著關(guān)鍵作用，決定著工業(yè)機器人作業(yè)質(zhì)量，是工業(yè)機器人開發(fā)應(yīng)用研究得一個重要方向。

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【通聯(lián)編輯：梁書】