工业机器人编程技术及发展趋势.docx

一、概述　当前机器人广泛应用于焊接、装配、搬运、喷漆及打磨等领域，任务的复杂程度不断增加，而用户对产品的质量、效率的追求越来越高。在这种形式下，机器人的编程方式、编程效率和质量显得越来越重要。降低编程的难度和工作量，提高编程效率，实现编程的自适应性，从而提高生产效率，是机器人编程技术发展的终极追求。　本文将就机器人编程技术的发展作一介绍，希望能给读者带来一些启发。　　二、编程技术的发展及应用情况　对工业机器人来说，主要有三类编程方法：在线编程、离线编程以及自主编程三类。在当前机器人的应用中，手工示教仍然主宰着整个机器人焊接领域，离线编程适合于结构化焊接环境，但对于轨迹复杂的三维焊缝，手工示教不但费时而且也难以满足焊接精度要求，因此在视觉导引下由计算机控制机器人自主示教取代手工示教已成为发展趋势。　1. 示教编程技术　（1）在线示教编程 通常由操作人员通过示教盒控制机械手工具末端到达指定的姿态和位置，记录机器人位姿数据并编写机器人运动指令，完成机器人在正常加工中的轨迹规划、位姿等关节数据信息的采集、记录。　示教盒示教具有在线示教的优势，操作简便直观。如图1所示，示教盒主要有编程式和遥感式两种。例如，采用机器人对汽车车身进行点焊，首先由操作人员控制机器人达到各个焊点对各个点焊轨迹通过人工示教，在焊接过程中通过示教再现的方式，再现示教的焊接轨迹，从而实现车身各个位置各个焊点的焊接。车身机器人点焊过程如图2 所示。但在焊接中车身的位置很难保证每次都完全一样，故在实际焊接中，通常还需要增加激光传感器等对焊接路径进行纠偏和校正。?图1 机器人示教盒图2 汽车车身机器人点焊　（2）激光传感辅助示教 在空间探索、水下施工、核电站修复等极限环境下，操作者不能身临现场，焊接任务的完成必须借助于遥控方式。环境的光照条件差，视觉信息不能完全地反馈现场的情况，采用立体视觉作为视觉反馈手段，示教周期长。激光视觉传感能够获取焊缝轮廓信息，反馈给机器人控制器实时调整焊枪位姿跟踪焊缝。哈尔滨工业大学高洪明等提出了用于遥控焊接的激光视觉传感辅助遥控示教技术，克服了基于立体视觉显示遥控示教的缺点。通过激光视觉传感提取焊缝特征点作为示教点，提高了识别精度，实现了对平面曲线焊缝和复杂空间焊缝的遥控示教（见图3）。图3 基于激光辅助示教的遥控操作系统　（3）力觉传感辅助示教 由于视觉误差，立体视觉示教精度低，激光视觉传感能够获取焊缝轮廓信息，反馈给机器人控制器实时调整焊枪位姿跟踪焊缝。但也无法适应所有遥控焊接环境，如工件表面状态对激光辅助示教有一定影响，不规则焊缝特征点提取困难，为此哈尔滨工业大学高洪明等提出了“遥控焊接力觉遥示教技术”，采用力传感器对焊缝进行辨识，系统结构简单，成本低，反应灵敏度高，力觉传感与焊缝直接接触，示教精度高。通过力觉遥示教焊缝辨识模型和自适应控制模型，实现遥示教局部自适应控制，通过共享技术和视觉临场感实现人对遥控焊接遥示教宏观全局监控。　（4）专用工具辅助示教 为了使得机器人在三维空间示教过程更直观，一些辅助示教工具被引入在线示教过程，辅助示教工具包括位置测量单元和姿态测量单元，分别来测量空间位置和姿态。由两个手臂和一个手腕组成，有6个自由度，通过光电编码器来记录每个关键的角度。操作时，由操作人员手持该设备的手腕，对加工路径进行示教，记录下路径上每个点的位置和姿态，再通过坐标转换为机器人的加工路径值，实现示教编程，操作简便， 精度高，不需要操作者实际操作机器人，这对很多非专业的操作人员来说是非常方便的。　借助激光等装置进行辅助示教，提高了机器人使用的柔性和灵活性，降低了操作的难度，提高了机器人加工的精度和效率，这在很多场合是非常实用的。　2. 离线编程技术　与在线编程相比，离线编程具有如下优点：①减少停机的时间，当对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产线上工作。②使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境。③使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程。④便于和C A D/C A M 系统结合，做到 C A D/C A M/R O B O T I C S一体化。⑤可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程。⑥便于修改机器人程序。　（1）编程关键步骤 机器人离线编程是利用计算机图形学的成果，通过对工作单元进行三维建模，在仿真环境中建立与现实工作环境对应的场景，采用规划算法对图形进行控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。其中关键步骤如图4所示。图5 为采用F A N U C 公司的R o b o g u i de软件进行离线编程的一个实例。产品为大众汽车模具的一部分，需要对其表面进行激光熔覆，由于表面较为复杂，采用人工示教方式确定路径几无可能，故采用离线编程软件进行解决。首先建立模具的C A D