機(jī)器人離線編程技術(shù)現(xiàn)狀及前景展望

□介黨陽 □寇 萌 □胡昭琳 □劉霖平

北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076

機(jī)器人離線編程技術(shù)現(xiàn)狀及前景展望

□介黨陽 □寇 萌 □胡昭琳 □劉霖平

北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076

離線編程技術(shù)可以大幅節(jié)省制造時(shí)間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的時(shí)序仿真，并為機(jī)器人編程和調(diào)試提供靈活的編程環(huán)境，成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。介紹了機(jī)器人離線編程技術(shù)的組成和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

機(jī)器人；離線編程；現(xiàn)狀；發(fā)展

1 研究背景

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用程度是反映一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志，近年來，我國機(jī)器人市場需求在快速增長，并已成為全球機(jī)器人應(yīng)用的重要市場。2014年，我國工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)到5.6萬臺，同比增長52%，再次成為全球最大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場。在珠三角地區(qū)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的年均增長速度已達(dá)到30%，尤其在裝配、點(diǎn)膠、搬運(yùn)、焊接等領(lǐng)域，已經(jīng)掀起了一股工業(yè)機(jī)器人的使用熱潮。盡管如此，我國制造業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人的密度仍然很低。2013年，我國工業(yè)機(jī)器人密度僅為每萬名產(chǎn)業(yè)工人30臺，不足全球平均水平的一半，與工業(yè)自動化程度較高的韓國每萬名產(chǎn)業(yè)工人437臺、日本每萬名產(chǎn)業(yè)工人323臺和德國每萬名產(chǎn)業(yè)工人282臺相比差距較大[1]，因此，我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場有巨大發(fā)展空間。

目前，采用機(jī)器人制造已經(jīng)成為各大數(shù)控加工企業(yè)的發(fā)展方向，但是受限于現(xiàn)有機(jī)器人編程的耗時(shí)長和成本高，還沒有大量應(yīng)用。

如何降低工業(yè)機(jī)器人的編程調(diào)試門檻，縮短客戶定制化任務(wù)的設(shè)計(jì)改造時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的去編程或易編程，已成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域最活躍與最前沿的研究課題[2-7]。傳統(tǒng)的示教器和示教編程已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)線上應(yīng)用了半個(gè)世紀(jì)之久，甚至仍然是當(dāng)前應(yīng)用和操作機(jī)器人的最主要手段和途徑，隨著普及應(yīng)用，弊端和不足也愈發(fā)明顯，主要表現(xiàn)如下[8]。

（1）示教編程需要在工作現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)的同時(shí)生產(chǎn)線上的所有設(shè)備都必須停工，生產(chǎn)效率損失極大。

（2）示教編程不太適用于運(yùn)動軌跡過于復(fù)雜或精度要求較高的應(yīng)用場合。

（3）示教編程對于一些需要根據(jù)外部信息進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的應(yīng)用無能為力，比如多機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)等。

近年來，國內(nèi)外許多大中型企業(yè)都裝備了自動化加工設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備與系統(tǒng)[9]。同時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)已趨于成熟，其高效便捷的建模手段和集成技術(shù)，成為工業(yè)機(jī)器人編程中的有力工具。這些設(shè)備和系統(tǒng)為工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)的研究和推廣提供了基本的硬件和軟件條件。與傳統(tǒng)示教編程相比，離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)[10]。

（1）大幅減少了機(jī)器人的停機(jī)時(shí)間，當(dāng)對下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作。

（2）使編程者可在遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境中編程和調(diào)試，改善了編程環(huán)境。

（3）便于和CAD、CAM系統(tǒng)結(jié)合，借助機(jī)器人廠家提供的豐富離線數(shù)據(jù)庫，對多種機(jī)器人進(jìn)行編程和時(shí)序優(yōu)化，開展全系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

（4）可應(yīng)用高級計(jì)算機(jī)編程語言對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程，便于修改機(jī)器人程序，降低機(jī)器人編程難度。

因此，筆者在介紹機(jī)器人離線編程技術(shù)現(xiàn)狀時(shí)，著重總結(jié)目前世界上廣泛應(yīng)用的離線編程軟件系統(tǒng)，并從去編程和易編程的要求出發(fā)，對機(jī)器人離線編程技術(shù)的前景進(jìn)行展望。

2 離線編程技術(shù)流程

離線編程技術(shù)利用CAD建模技術(shù)生成的工作空間模型對機(jī)器人控制程序進(jìn)行編程，在程序下載到工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動器之前，可以離線對運(yùn)動的軌跡、時(shí)序等重要特征進(jìn)行仿真。機(jī)器人離線編程技術(shù)流程如圖1所示[11]。

3 離線編程技術(shù)組成要素

3.1 CAD建模

圖1 機(jī)器人離線編程技術(shù)流程

CAD建模需要完成的任務(wù)如下：①零件建模；②設(shè)備建模；③系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置；④幾何模型圖形處理。因?yàn)閼?yīng)用現(xiàn)有CAD數(shù)據(jù)及機(jī)器人理論結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)建的機(jī)器人模型與實(shí)際模型之間存在誤差，所以必須對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，對其誤差進(jìn)行測量、分析及不斷校正。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的不確定性對機(jī)器人作業(yè)任務(wù)有著十分重要的影響，固定不變的環(huán)境模型是不夠的，極可能會導(dǎo)致機(jī)器人作業(yè)的失敗。因此，如何實(shí)時(shí)確定機(jī)器人作業(yè)環(huán)境，并以此動態(tài)修改環(huán)境模型，是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)實(shí)用化的一個(gè)重要問題。

3.2 目標(biāo)特征識別

這個(gè)過程包括從操作目標(biāo)的三維模型中提取出特征路徑，根據(jù)所采用的末端執(zhí)行器的坐標(biāo)位置，生成機(jī)械臂末端運(yùn)動的路徑點(diǎn)。這個(gè)過程要求離線編程系統(tǒng)能夠從目標(biāo)的邊、角等特征中自動識別出特征曲線，以減小編程量。此外，初始點(diǎn)、進(jìn)給點(diǎn)和退出點(diǎn)等特征點(diǎn)需要人為指定。

3.3 軌跡規(guī)劃

根據(jù)識別的目標(biāo)特征，自動生成軌跡。通常根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算出來的軌跡可能不止一條，具體應(yīng)用時(shí)還需要根據(jù)具體的空間可達(dá)性、避障性能，以及最小化構(gòu)型轉(zhuǎn)換等要求，由操作者來選擇或通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來選擇。

3.4 工藝流程規(guī)劃

對于處理復(fù)雜工藝的情形，尤其是多機(jī)器人協(xié)同操作的場合，需要通過離線編程系統(tǒng)規(guī)劃出詳細(xì)的動作時(shí)序和路徑，避免干涉和碰撞，同時(shí)優(yōu)化各個(gè)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

3.5 流程仿真

流程仿真是離線編程系統(tǒng)的一大優(yōu)勢，通過流程仿真可提前發(fā)現(xiàn)程序中不協(xié)調(diào)的項(xiàng)目，事先直觀獲知機(jī)器人運(yùn)動過程，減少占用生產(chǎn)線的時(shí)間。

3.6 后置處理

后置處理的主要任務(wù)是將離線編程的源程序編譯為機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠識別的目標(biāo)程序。當(dāng)作業(yè)程序的仿真結(jié)果完全達(dá)到作業(yè)要求后，將該作業(yè)程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口下載到目標(biāo)機(jī)器人控制柜，驅(qū)動機(jī)器人去完成指定的工作任務(wù)。

3.7 標(biāo)定

在理想情況下，由離線編程技術(shù)建立的模型應(yīng)同機(jī)器人實(shí)際模型完全一致。在傳感器匹配的情況下，由離線編程系統(tǒng)生成的程序可直接下載至機(jī)器人系統(tǒng)中執(zhí)行工作任務(wù)。實(shí)際上，由于模型和真實(shí)系統(tǒng)間存在差別，在實(shí)際應(yīng)用中需要對離線編程系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定和修正。因此，標(biāo)定時(shí)間至關(guān)重要，一方面會影響到機(jī)器人的實(shí)際工作效果，另一方面占用了機(jī)器人生產(chǎn)線的時(shí)間，所以應(yīng)盡可能縮短標(biāo)定時(shí)間。

4 離線編程軟件系統(tǒng)

國內(nèi)外的離線編程軟件，按照設(shè)計(jì)用途大致可以分為兩類：通用型離線編程軟件和專用型離線編程軟件。

4.1 通用型離線編程軟件

通用型離線編程軟件通常都由第三方軟件公司負(fù)責(zé)開發(fā)和維護(hù)，可支持多款機(jī)器人的仿真、軌跡編程和后置輸出。這類軟件優(yōu)缺點(diǎn)很明顯，優(yōu)點(diǎn)是可支持多款機(jī)器人，缺點(diǎn)是對某一特定品牌的機(jī)器人的支持力度不如專用型離線編程軟件大。

典型的通用型離線編程軟件及其特征見表1。

表1 典型通用型離線編程軟件及特征

4.2 專用型離線編程軟件

專用型離線編程軟件通常由機(jī)器人本體廠家自行或委托第三方軟件公司開發(fā)及維護(hù)，這類軟件通常只支持本品牌的機(jī)器人仿真、編程和后置輸出。由于開發(fā)人員可以接觸機(jī)器人底層數(shù)據(jù)通信接口，所以這類離線編程軟件有更強(qiáng)大和實(shí)用的功能，與機(jī)器人本體兼容性也更好。

典型的專用型離線編程軟件及其特征見表2。

5 前景分析與展望

離線編程技術(shù)因其能夠大幅減少機(jī)器人的停機(jī)時(shí)間，對多種機(jī)器人進(jìn)行編程和時(shí)序優(yōu)化，開展全系統(tǒng)聯(lián)合仿真，降低機(jī)器人編程難度，已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但即便如此，離線編程技術(shù)在應(yīng)用時(shí)仍需要一定的專業(yè)基礎(chǔ)，不能做到真正的傻瓜編程。同時(shí)，由于各個(gè)生產(chǎn)廠家接口不一，通用型離線編程軟件在通用性和專業(yè)性方面較難平衡。離線編程軟件與以下幾個(gè)方面的建設(shè)和發(fā)展息息相關(guān)。

表2 典型專用型離線編程軟件及特征

5.1 機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化

離線編程技術(shù)的發(fā)展與機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善和推廣息息相關(guān)。目前世界上知名的機(jī)器人公司有20多家，使用相對比較普及的工業(yè)機(jī)器人有超過200種，然而目前工業(yè)機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證的卻為數(shù)不多，且已有的幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也多為近幾年認(rèn)證的。涉及到工業(yè)機(jī)器人機(jī)械接口的ISO9409系列標(biāo)準(zhǔn)目前也僅通過了一項(xiàng)子標(biāo)準(zhǔn)，尚沒有與機(jī)器人控制接口函數(shù)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)機(jī)器人生產(chǎn)廠商控制接口函數(shù)和編程語言的多樣化，對通用性離線編程軟件的接口通用化造成了很大的困難，實(shí)際上不利于離線編程技術(shù)的推廣。

5.2 開源平臺建設(shè)

近年來，機(jī)器人開源操作系統(tǒng)的發(fā)展為復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個(gè)開放、高效的平臺，降低了世界上很多機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)門檻，同時(shí)極大地提高了機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)效率。離線編程技術(shù)因其直接決定機(jī)器人的易用性和開發(fā)周期，同樣急需建立一個(gè)世界性的開源設(shè)計(jì)平臺，使離線編程技術(shù)能夠如機(jī)器人驅(qū)動和控制一樣，成為設(shè)計(jì)師的一項(xiàng)普遍使用且熟練掌握的通用技術(shù)，這也是提高離線編程技術(shù)實(shí)用性的有效手段。

5.3 機(jī)器人客戶與生產(chǎn)商之間的商業(yè)機(jī)會

雖然離線編程技術(shù)已經(jīng)使編程變得直觀，但開發(fā)起來其專業(yè)性仍較強(qiáng)。對于購買工業(yè)機(jī)器人的客戶而言，他們更希望看到有專業(yè)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)來負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身的定制，因?yàn)樯a(chǎn)線改造有較強(qiáng)的非周期性，而為此配置一個(gè)專業(yè)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)成本較高。而對于機(jī)器人生產(chǎn)廠商而言，若能夠?qū)⑻幚頇C(jī)器人售后調(diào)試及后續(xù)二次開發(fā)的工作分離出去，集中優(yōu)勢力量來研發(fā)更符合市場需求的機(jī)器人本體也不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

6 結(jié)論

機(jī)器人離線編程技術(shù)是解決工業(yè)機(jī)器人巨大市場推廣需求與編程過程效率低下的現(xiàn)實(shí)矛盾的有效工具，其強(qiáng)大的CAD、CAM支持能力，能夠很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的編程調(diào)試，其較好的仿真能力增加了編程的直觀性，可有效減少占用生產(chǎn)線的時(shí)間。隨著近年來工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及越來越多高效設(shè)計(jì)平臺的推廣，機(jī)器人離線編程技術(shù)一定能在未來有較大提高和發(fā)展前景。

[1]工信部裝備工業(yè)司.《中國制造2005》推動機(jī)器人發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2015（ 3）：31-33.

[2] 趙臣，王剛.我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀調(diào)研報(bào)告[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009（ 2）：8-13．

[3] 薛蘇杭,黃建民.未來展示技術(shù)中的機(jī)器人[J].裝備機(jī)械,2010（ 1） ：2-7.

[4] 戚紀(jì)良.機(jī)器人在科普展項(xiàng)中的應(yīng)用[J].裝備機(jī)械，2007（ 4）：55-57.

[5] 魏振紅,俞港,付莊，等.基于RobCAD軟件的焊接機(jī)器人離線編程[J].機(jī)電一體化，2015（ 3）：31-34.

[6] 郭小寶,趙振,陳落根.碼垛機(jī)器人運(yùn)動學(xué)幾何解法的研究[J].裝備機(jī)械，2015（ 4）：44-47.

[7] 邱煥能,林仕高,歐元賢.機(jī)器人操作臂離線編程仿真系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓， 2015，43（ 21）：28-31.

[8] 張愛紅,張秋菊.機(jī)器人示教編程方法[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2003（ 4）：47-49.

[9] 寧文正,郭帥,鮑晟,等.面向移動加工的機(jī)器人路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].機(jī)械制造,2016，54（9）：22-25，29.

[10]任倩，王樹國，陳祥立，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人離線編程技術(shù)的研究[J].機(jī)器人，2003，25（ 2）：172-177.

[11]PAN Z X,POLDEN J,LARKIN N,et al.Recent Progresson Programming Methods for Industrial Robots[C].Robotics(ISR),2010 41st International Symposium on and 2010 6th GermanConferenceonRobotics（ ROBOTIK）,Munich,2011.

Offlineprogrammingtechnology can saveproduction timegreatly,realizethetiming simulation of complex robot system,and provide a flexible programming environment for robot programming and debugging which becomes the research hotspot in the field of robot.Introduced the composition of offline programming technology of robot and itspresent statusof applicationswhiletheapplicationswereprospected.

Robot；Offline Programming；Present Status；Development

TH164；TG659

A

1672-0555（2017）03-054-04

2017年1月

介黨陽（1984—），男，博士，高級工程師，主要從事機(jī)器人與運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)研究工作

（編輯：平 平）