知識普及:機器人的編程技術知識詳解

2020-12-14 電子發燒友

知識普及：機器人的編程技術知識詳解

工程師青青 發表於 2018-09-07 09:05:00

一、概述

當前機器人廣泛應用於焊接、裝配、搬運、噴漆及打磨等領域，任務的複雜程度不斷增加，而用戶對產品的質量、效率的追求越來越高。在這種形式下，機器人的編程方式、編程效率和質量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實現編程的自適應性，從而提高生產效率，是機器人編程技術發展的終極追求。

本文將就機器人編程技術的發展作一介紹，希望能給讀者帶來一些啟發。

二、編程技術的發展及應用情況

對工業機器人來說，主要有三類編程方法：在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當前機器人的應用中，手工示教仍然主宰著整個機器人焊接領域，離線編程適合於結構化焊接環境，但對於軌跡複雜的三維焊縫，手工示教不但費時而且也難以滿足焊接精度要求，因此在視覺導引下由計算機控制機器人自主示教取代手工示教已成為發展趨勢。

1. 示教編程技術

（1）在線示教編程 通常由操作人員通過示教盒控制機械手工具末端到達指定的姿態和位置，記錄機器人位姿數據並編寫機器人運動指令，完成機器人在正常加工中的軌跡規劃、位姿等關節數據信息的採集、記錄。

示教盒示教具有在線示教的優勢，操作簡便直觀。如圖1所示，示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如，採用機器人對汽車車身進行點焊，首先由操作人員控制機器人達到各個焊點對各個點焊軌跡通過人工示教，在焊接過程中通過示教再現的方式，再現示教的焊接軌跡，從而實現車身各個位置各個焊點的焊接。車身機器人點焊過程如圖2 所示。但在焊接中車身的位置很難保證每次都完全一樣，故在實際焊接中，通常還需要增加雷射傳感器等對焊接路徑進行糾偏和校正。

圖1 機器人示教盒

圖2 汽車車身機器人點焊

（2）雷射傳感輔助示教

在空間探索、水下施工、核電站修復等極限環境下，操作者不能身臨現場，焊接任務的完成必須藉助於遙控方式。環境的光照條件差，視覺信息不能完全地反饋現場的情況，採用立體視覺作為視覺反饋手段，示教周期長。雷射視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實時調整焊槍位姿跟蹤焊縫。哈爾濱工業大學高洪明等提出了用於遙控焊接的雷射視覺傳感輔助遙控示教技術，克服了基於立體視覺顯示遙控示教的缺點。通過雷射視覺傳感提取焊縫特徵點作為示教點，提高了識別精度，實現了對平面曲線焊縫和複雜空間焊縫的遙控示教（見圖3）。

圖3 基於雷射輔助示教的遙控作業系統

（3）力覺傳感輔助示教

由於視覺誤差，立體視覺示教精度低，雷射視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實時調整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無法適應所有遙控焊接環境，如工件表面狀態對雷射輔助示教有一定影響，不規則焊縫特徵點提取困難，為此哈爾濱工業大學高洪明等提出了「遙控焊接力覺遙示教技術」，採用力傳感器對焊縫進行辨識，系統結構簡單，成本低，反應靈敏度高，力覺傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過力覺遙示教焊縫辨識模型和自適應控制模型，實現遙示教局部自適應控制，通過共享技術和視覺臨場感實現人對遙控焊接遙示教宏觀全局監控。

（4）專用工具輔助示教

為了使得機器人在三維空間示教過程更直觀，一些輔助示教工具被引入在線示教過程，輔助示教工具包括位置測量單元和姿態測量單元，分別來測量空間位置和姿態。由兩個手臂和一個手腕組成，有6個自由度，通過光電編碼器來記錄每個關鍵的角度。操作時，由操作人員手持該設備的手腕，對加工路徑進行示教，記錄下路徑上每個點的位置和姿態，再通過坐標轉換為機器人的加工路徑值，實現示教編程，操作簡便， 精度高，不需要操作者實際操作機器人，這對很多非專業的操作人員來說是非常方便的。

藉助雷射等裝置進行輔助示教，提高了機器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機器人加工的精度和效率，這在很多場合是非常實用的。

2. 離線編程技術

與在線編程相比，離線編程具有如下優點：

①減少停機的時間，當對下一個任務進行編程時，機器人可仍在生產線上工作。

②使編程者遠離危險的工作環境，改善了編程環境。

③使用範圍廣，可以對各種機器人進行編程，並能方便地實現優化編程。

④便於和CAD/CAM 系統結合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。

⑤可使用高級計算機程式語言對複雜任務進行編程。

⑥便於修改機器人程序。

（1）編程關鍵步驟 機器人離線編程是利用計算機圖形學的成果，通過對工作單元進行三維建模，在仿真環境中建立與現實工作環境對應的場景，採用規划算法對圖形進行控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規劃，進而產生機器人程序。其中關鍵步驟如圖4所示。圖5 為採用FANUC 公司的Roboguide軟體進行離線編程的一個實例。產品為大眾汽車模具的一部分，需要對其表面進行雷射熔覆，由於表面較為複雜，採用人工示教方式確定路徑幾無可能，故採用離線編程軟體進行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機器人和模具之間的幾何位置關係，然後根據特定的工藝進行軌跡規劃和離線編程仿真，確認無誤後下載到機器人控制中執行，實踐證明取得了較好的效果。

圖4 離線編程中的關鍵步驟

圖5 基於Roboguide的離線編程和仿真

（2）商業離線編程軟體 一般包括： 幾何建模功能、基本模型庫、運動學建模功能、工作單元布局功能、路徑規劃功能、自動編程功能、多機協調編程與仿真功能。

第三方離線編程（國內）：RobotArtRobotMaster、 RobotWorks、Robomove、RobotCAD、DELMIA

機器人廠家（國外）：（ABB）RobotStudio、（發那科） RoboGuide、（庫卡）KUKA Sim 、（安川）MotoSim

可對系統布局進行模擬，確認TCP的可達性，是否幹涉，也可進行離線編程仿真，然後將離線編程的程序仿真確認後下載到機器人中執行。

3. 自主編程技術

隨著技術的發展，各種跟蹤測量傳感技術日益成熟，人們開始研究以焊縫的測量信息為反饋，由計算機控制焊接機器人進行焊接路徑的自主示教技術。

（1）基於雷射結構光的自主編程 基於結構光的路逕自主規劃其原理是將結構光傳感器安裝在機器人的末端，形成「眼在手上」的工作方式，如圖6所示，利用焊縫跟蹤技術逐點測量焊縫的中心坐標，建立起焊縫軌跡資料庫，在焊接時作為焊槍的路徑。

圖6 基於結構光的路逕自主編程

韓國Pyunghyun Kim 將線結構光視覺傳感器安裝在 6 自由度焊接機器人末端，對結構化環境下的自由表面焊縫進行了自主示教。在焊縫上建立了一個隨焊縫軌跡移動的坐標來表達焊縫的位置和方向，並與連接類型（搭接、對接、V 形）結合形成機器人焊接路徑，其中還採用了 3 次樣條函數對空間焊縫軌跡進行擬合，避免了常規的直線連接造成的誤差，如圖7所示。

圖7 傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑

（2）基於雙目視覺的自主編程 基於視覺反饋的自主示教是實現機器人路逕自主規劃的關鍵技術，其主要原理是：在一定條件下，由主控計算機通過視覺傳感器沿焊縫自動跟蹤、採集並識別焊縫圖像，計算出焊縫的空間軌跡和方位（即位姿），並按優化焊接要求自動生成機器人焊槍（Torch）的位姿參數。

（3）多傳感器信息融合自主編程 有研究人員採用力控制器，視覺傳感器以及位移傳感器構成一個高精度自動路徑生成系統。系統配置如圖8所示，該系統集成了位移、力、視覺控制，引入視覺伺服，可以根據傳感器反饋信息來執行動作。該系統中機器人能夠根據記號筆所繪製的線自動生成機器人路徑，位移控制器用來保持機器人TCP點的位姿，視覺傳感器用來使得機器人自動跟隨曲線，力傳感器用來保持TCP點與工件表面距離恆定。

圖8 基於視覺、力和位置傳感器的路逕自動生成系統

4. 基於增強現實的編程技術

增強現實技術源於虛擬實境技術，是一種實時地計算攝像機影像的位置及角度並加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界並互動，增強現實技術使得計算機產生的三維物體融合到現實場景中，加強了用戶同現實世界的交互。將增強現實技術用於機器人編程具有革命性意義。

增強現實技術融合了真實的現實環境和虛擬的空間信息，它在現實環境中發揮了動畫仿真的優勢並提供了現實環境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺虛擬的飛機清洗機器人模型被應用於按比例縮小的飛機模型。控制虛擬的機器人針對飛機模型沿著一定的軌跡運動，進而生成機器人程序，之後對現實機器人進行標定和編程。

基於增強現實的機器人編程技術（RPAR）能夠在虛擬環境中沒有真實工件模型的情況下進行機器人離線編程。由於能夠將虛擬機器人添加到現實環境中，所以當需要原位接近的時候該技術是一種非常有效的手段，這樣能夠避免在標定現實環境和虛擬環境中可能碰到的技術難題。增強現實編程的架構如圖9所示，由虛擬環境、操作空間、任務規劃以及路徑規劃的虛擬機器人仿真和現實機器人驗證等環節組成。

圖9 基於增強現實的機器人編程架構

總結：傳統的在線示教編程將只在很少的場合得到應用，隨著技術的更新，後三種會慢慢增長，有的還是在技術研發期，誰先有突破，都將獲得市場。

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