工业机器人离线编程技术发展研究

    高慧+邓世凯

    摘 要：工业机器人系统的编程系统决定了机器人工作站的工作质量。在编程技术中，离线编程技术是高效、关键的编程方法。文章简要介绍了离线编程系统的主要组成部分，说明工业机器人离线编程技术在生产加工领域应用广泛，也是机器人开发和应用的重要研究方向。

    关键词：离线编程；图形仿真；二次开发

    工业机器人在作业的时候如弧焊、切割、涂胶、打磨等，这些作业是通过连续轨迹来进行操作控制的。正确完成这些作业就需要机器人能够按照控制程序运动。工业机器人的控制程序需要通过以下方法去获得指令：（1）在线编程；（2）离线编程。在线编程属于比较快捷的，缺点是编程精度比较低，需要在工作现场，这样无形之中占用了机器人的不少工作时间。离线编程不对实际作业的机器人进行直接的控制，机器人是在我们设置好的虚拟环境下作业，生成示教数据是通过计算机内的CAD模型编辑的，属于间接地对作业的机器人进行示教。示教结果可以通过运动仿真，从而确定机器人是否按人们期望的方式运动。如果需要精度高的轨迹作业，离线编程是最优的机器人离线编程的方法，这种机器人的编程更加优化、对编程结果的观察更加直观、干涉与碰撞检验、运动轨迹的规划更加复杂、工作效率更高，所以已经吸引到更多人的注意，并已经成为现在机器人学术研究中十分活跃的一个研究方向。所以为了更好地提升机器人作业的水平，应加强对离线编程技术的应用与研究工作。

    1 离线编程概述

    机器人的离线编程系统就是对于计算机图形学成果的利用，从而创建出机器人以及机器人所工作环境下的几何模型，并对规划算法加以利用，再对图形进行操作与控制，在离线的时候对其轨迹进行规划。编程完成后再对其进行三维图形的动画仿真，从而对所编程序的正确性进行检验，检验通过后再把代码传送至机器人的控制系统，对机器人加以控制，從而完成任务。

    这一系统可以使机器人的安全性得到增强，并降低成本，使机器人工作的时间得到增加。它也是机器人编程语言的一种拓展，通过此系统可以使CAM/CAD与机器人之间建立起相应的联系。

    别外，这一系统是在机器人系统中图形模型的基础上对机器人实际工作环境进行模拟的情况下来完成编程，所以为了让编程的结果可以更加符合实际，系统可以自行计算出实际模型与仿真模型间所存在的误差，并使两者的误差尽可能减少。

    2 离线编程系统的组成与研究情况

    这一系统不只是在计算机上对系统中物理模型的建立，同时也应对它进行动画仿真与编程，并对编程的结果进行后置处理。在这一系统的编程中主要包含下面这些主要模块：人机界面、图形仿真、离线编程、系统建模、传感器。

    2.1 对仿真技术进行研究

    在试验、设计、研制机器人的时候，应分析动力学性能与运动学，并设计、规划出运行轨迹，但是由于机器人的多连杆空间、多自由度的特性，使它的动力学与运动学更加复杂，导致其计算量与计算难度更加巨大。比如仿真对象为机械手的时候，通过对机器人学理念与计算机图形技术的应用，在计算机中以动画的形式将几何图形显示出来，再通过分析其中的运动学反正解与机构的设计，对操作臂的控制及在工作的实际环境中干涉碰撞与避让障碍等问题的仿真模拟，可以有效地对机械手研发时所出现问题进行解决。

    已有的仿真软件种类多样，功能各有差异，在工业应用领域中有许多应用开发的例子。

    无论基于何种开发平台，模型建立的合理性是影响实践效果的关键因素，又由于通过软件所存数据与机器人理念的参数构建出的模型与实际的模型会存在一定的误差，因此应当对其进行标定，并对误差进行分析与测量，对所建的模型误差不断进行校正。因为机器人的应用领域在不断增加，其作业环境带来的不确定性对于其对作业任务的完成带来了非常重要的影响，所以其环境的模型并不是固定的，固定的环境模型很容易致使作业失败。所以对于环境不确定性的抽取，并对环境模型进行修改，是这一系统在实用化过程中所遇到的一个严重的问题。

    2.2 图形仿真

    能够在离线的情况下对程序进行调试是离线编程中一个十分重要的部分，然而离线调试最为有效直观的方式是通过图形仿真对机器人作业程序进行模拟，它可以在不接触实际工作环境与机器人的情况下为机器人交互作用提供一个虚拟的环境。离线编程中一个重要的组成部分就是图形仿真，它可以通过图形的方式将仿真结果展示出来，使机器人运动的状况显示更加直观，所以可以分析出很多在数据曲线中很难显示的信息。在计算机技术高速发展的今天，在Windows系统中可以很简便地将三维图形进行处理，在此基础上可以很好地使动态模拟图的仿真与任务的规划得到完成。大多数时候通过离线编程来完成作业编制的任务，再通过编译连接生成仿真文件。在仿真模块中，系统会将执行控制仿真文件代码进行解释，使路径与任务的规划结果完成三维动画图形仿真，使作业完成的情况得到模拟，从而使机器人运动的轨迹合理性与碰撞发生的可能性得到检查，并计算出机器人在整个工作与每个工步中所用的时间，使离线编程的结果的可行性得到一个重要的参考。

    2.3 编程

    编程模块可分为：编制任务程序、求解未知矩阵、建立变换方程、机器人作业任务描述等。根据对动态图形仿真结果中程序所存在问题的适当修正，从而达到一个满意的效果后，使机器人可以在线控制以完成操作。机器人编程的最理想目标是使用最适合的类似自然的语言对机器人的作业来进行描述。通过机器人的智能设施得到环境信息，并完成运动与任务的规划，从而使机器人在作业中可以实现自动控制。离线编程的编程语言将机器人的运动特性与几何特性能通过一个通用接口封装成一体，通过这一接口可以很好地与包括传感器在内的各种对象打交道。因为这一语言可以对几何信息进行直接操作，并具备一定的空间推理能力，所以它可以简便地完成编程与自动规划。这是离线编程技术的一大提升。

    2.4 传感器

    在机器人技术高速发展的今天，在机器人作业中传感器的作用越来越明显，在离线编程中对传感器加以仿真已经成为不可或缺的一部分，而且也是其可以实用化的关键。通过对传感器信息的利用可以使实际模型与仿真模型的误差减少，程序与操作的可靠性得到增强，编程的效率也会得到提高。在带有传感器的机器人系统中，因为传感器所产生信号会被运动时不平衡性、物体的几何形状、物理反射率、光线条件等因素干扰，使得其运动不便进行预测，所以在离线编程时传感器应当建模，对传感器作业任务加以仿真。

    2.5 后置处理

    它的任务主要就是将离线编程的源程序编译成为机器人可以识别出的目标程序。就是仿真作业程序可以完成作业要求后，把这一程序转变成为机器人的数据与控制程序，再经过通信接口将程序加载成为机器人的控制系统，使机器人可以完成指定任务。因为机器人的控制柜存在多样性，所以想将通信模块设计成为通用的十分困难，所以大多会采取后置处理的方式把离线编程出的结果转变为机器人的控制柜能够读取的代码，使加工文件可以实现下载与上传。在离线编程的时候，机器人的控制系统数据与仿真的数据是不完全相同的。因此，在离线编程中会生成两套不同的数据：一套为控制系统服务；一套为仿真系统服务，这两套数据都是后置处理来完成的。

    3 离线编程技术的结论与展望

    对工业化机器人应用推广与提高工作效率的意义非常重要，这一技术可以节约大幅制造时间，使计算机实时仿真性得到实现，使机器人的调试与编程环境更加灵活安全。工业化机器人因为其安全性、高效性使体力劳动得到了替代，使作业质量与自动化技术得到提升，将来这一技术会在各种生产领域得到广泛的应用。机器人的作业质量与实用功能是由编程能力所决定的，这一技术正是使作业质量得到保证的关键。

    在市场经济利益的驱使下，越来越多的生产企业愿意借用离线编程技术来提高加工生产速率，以获得更大的酬劳分配。鉴于已有的工业应用，本文分析了离线编程技术几个重要组成部分的发展，可以得到以下结论：

    （1）已有的仿真软件能够为系统建模提供更合适的平台，但是模型建立的合理性是决定开发系统的实用与否的关键因素；（2）可以采用高级语言，比如VC++，描述机器人系统的作业过程，提高系统作业的精确性及可控制性；（3）随着加工次序的复杂、生产精度要求的提高，需要更加灵敏的传感器以实现指令的传动，提高加工质量。