工業機器人離線編程技術發展研究

高慧+鄧世凱

摘 要：工業機器人系統的編程系統決定了機器人工作站的工作質量。在編程技術中，離線編程技術是高效、關鍵的編程方法。文章簡要介紹了離線編程系統的主要組成部分，說明工業機器人離線編程技術在生產加工領域應用廣泛，也是機器人開發和應用的重要研究方向。

關鍵詞：離線編程；圖形仿真；二次開發

工業機器人在作業的時候如弧焊、切割、涂膠、打磨等，這些作業是通過連續軌跡來進行操作控制的。正確完成這些作業就需要機器人能夠按照控制程序運動。工業機器人的控制程序需要通過以下方法去獲得指令：（1）在線編程；（2）離線編程。在線編程屬于比較快捷的，缺點是編程精度比較低，需要在工作現場，這樣無形之中占用了機器人的不少工作時間。離線編程不對實際作業的機器人進行直接的控制，機器人是在我們設置好的虛擬環境下作業，生成示教數據是通過計算機內的CAD模型編輯的，屬于間接地對作業的機器人進行示教。示教結果可以通過運動仿真，從而確定機器人是否按人們期望的方式運動。如果需要精度高的軌跡作業，離線編程是最優的機器人離線編程的方法，這種機器人的編程更加優化、對編程結果的觀察更加直觀、干涉與碰撞檢驗、運動軌跡的規劃更加復雜、工作效率更高，所以已經吸引到更多人的注意，并已經成為現在機器人學術研究中十分活躍的一個研究方向。所以為了更好地提升機器人作業的水平，應加強對離線編程技術的應用與研究工作。

1 離線編程概述

機器人的離線編程系統就是對于計算機圖形學成果的利用，從而創建出機器人以及機器人所工作環境下的幾何模型，并對規劃算法加以利用，再對圖形進行操作與控制，在離線的時候對其軌跡進行規劃。編程完成后再對其進行三維圖形的動畫仿真，從而對所編程序的正確性進行檢驗，檢驗通過后再把代碼傳送至機器人的控制系統，對機器人加以控制，從而完成任務。

這一系統可以使機器人的安全性得到增強，并降低成本，使機器人工作的時間得到增加。它也是機器人編程語言的一種拓展，通過此系統可以使CAM/CAD與機器人之間建立起相應的聯系。

別外，這一系統是在機器人系統中圖形模型的基礎上對機器人實際工作環境進行模擬的情況下來完成編程，所以為了讓編程的結果可以更加符合實際，系統可以自行計算出實際模型與仿真模型間所存在的誤差，并使兩者的誤差盡可能減少。

2 離線編程系統的組成與研究情況

這一系統不只是在計算機上對系統中物理模型的建立，同時也應對它進行動畫仿真與編程，并對編程的結果進行后置處理。在這一系統的編程中主要包含下面這些主要模塊：人機界面、圖形仿真、離線編程、系統建模、傳感器。

2.1 對仿真技術進行研究

在試驗、設計、研制機器人的時候，應分析動力學性能與運動學，并設計、規劃出運行軌跡，但是由于機器人的多連桿空間、多自由度的特性，使它的動力學與運動學更加復雜，導致其計算量與計算難度更加巨大。比如仿真對象為機械手的時候，通過對機器人學理念與計算機圖形技術的應用，在計算機中以動畫的形式將幾何圖形顯示出來，再通過分析其中的運動學反正解與機構的設計，對操作臂的控制及在工作的實際環境中干涉碰撞與避讓障礙等問題的仿真模擬，可以有效地對機械手研發時所出現問題進行解決。

已有的仿真軟件種類多樣，功能各有差異，在工業應用領域中有許多應用開發的例子。

無論基于何種開發平臺，模型建立的合理性是影響實踐效果的關鍵因素，又由于通過軟件所存數據與機器人理念的參數構建出的模型與實際的模型會存在一定的誤差，因此應當對其進行標定，并對誤差進行分析與測量，對所建的模型誤差不斷進行校正。因為機器人的應用領域在不斷增加，其作業環境帶來的不確定性對于其對作業任務的完成帶來了非常重要的影響，所以其環境的模型并不是固定的，固定的環境模型很容易致使作業失敗。所以對于環境不確定性的抽取，并對環境模型進行修改，是這一系統在實用化過程中所遇到的一個嚴重的問題。

2.2 圖形仿真

能夠在離線的情況下對程序進行調試是離線編程中一個十分重要的部分，然而離線調試最為有效直觀的方式是通過圖形仿真對機器人作業程序進行模擬，它可以在不接觸實際工作環境與機器人的情況下為機器人交互作用提供一個虛擬的環境。離線編程中一個重要的組成部分就是圖形仿真，它可以通過圖形的方式將仿真結果展示出來，使機器人運動的狀況顯示更加直觀，所以可以分析出很多在數據曲線中很難顯示的信息。在計算機技術高速發展的今天，在Windows系統中可以很簡便地將三維圖形進行處理，在此基礎上可以很好地使動態模擬圖的仿真與任務的規劃得到完成。大多數時候通過離線編程來完成作業編制的任務，再通過編譯連接生成仿真文件。在仿真模塊中，系統會將執行控制仿真文件代碼進行解釋，使路徑與任務的規劃結果完成三維動畫圖形仿真，使作業完成的情況得到模擬，從而使機器人運動的軌跡合理性與碰撞發生的可能性得到檢查，并計算出機器人在整個工作與每個工步中所用的時間，使離線編程的結果的可行性得到一個重要的參考。

2.3 編程

編程模塊可分為：編制任務程序、求解未知矩陣、建立變換方程、機器人作業任務描述等。根據對動態圖形仿真結果中程序所存在問題的適當修正，從而達到一個滿意的效果后，使機器人可以在線控制以完成操作。機器人編程的最理想目標是使用最適合的類似自然的語言對機器人的作業來進行描述。通過機器人的智能設施得到環境信息，并完成運動與任務的規劃，從而使機器人在作業中可以實現自動控制。離線編程的編程語言將機器人的運動特性與幾何特性能通過一個通用接口封裝成一體，通過這一接口可以很好地與包括傳感器在內的各種對象打交道。因為這一語言可以對幾何信息進行直接操作，并具備一定的空間推理能力，所以它可以簡便地完成編程與自動規劃。這是離線編程技術的一大提升。

2.4 傳感器

在機器人技術高速發展的今天，在機器人作業中傳感器的作用越來越明顯，在離線編程中對傳感器加以仿真已經成為不可或缺的一部分，而且也是其可以實用化的關鍵。通過對傳感器信息的利用可以使實際模型與仿真模型的誤差減少，程序與操作的可靠性得到增強，編程的效率也會得到提高。在帶有傳感器的機器人系統中，因為傳感器所產生信號會被運動時不平衡性、物體的幾何形狀、物理反射率、光線條件等因素干擾，使得其運動不便進行預測，所以在離線編程時傳感器應當建模，對傳感器作業任務加以仿真。

2.5 后置處理

它的任務主要就是將離線編程的源程序編譯成為機器人可以識別出的目標程序。就是仿真作業程序可以完成作業要求后，把這一程序轉變成為機器人的數據與控制程序，再經過通信接口將程序加載成為機器人的控制系統，使機器人可以完成指定任務。因為機器人的控制柜存在多樣性，所以想將通信模塊設計成為通用的十分困難，所以大多會采取后置處理的方式把離線編程出的結果轉變為機器人的控制柜能夠讀取的代碼，使加工文件可以實現下載與上傳。在離線編程的時候，機器人的控制系統數據與仿真的數據是不完全相同的。因此，在離線編程中會生成兩套不同的數據：一套為控制系統服務；一套為仿真系統服務，這兩套數據都是后置處理來完成的。

3 離線編程技術的結論與展望

對工業化機器人應用推廣與提高工作效率的意義非常重要，這一技術可以節約大幅制造時間，使計算機實時仿真性得到實現，使機器人的調試與編程環境更加靈活安全。工業化機器人因為其安全性、高效性使體力勞動得到了替代，使作業質量與自動化技術得到提升，將來這一技術會在各種生產領域得到廣泛的應用。機器人的作業質量與實用功能是由編程能力所決定的，這一技術正是使作業質量得到保證的關鍵。

在市場經濟利益的驅使下，越來越多的生產企業愿意借用離線編程技術來提高加工生產速率，以獲得更大的酬勞分配。鑒于已有的工業應用，本文分析了離線編程技術幾個重要組成部分的發展，可以得到以下結論：

（1）已有的仿真軟件能夠為系統建模提供更合適的平臺，但是模型建立的合理性是決定開發系統的實用與否的關鍵因素；（2）可以采用高級語言，比如VC++，描述機器人系統的作業過程，提高系統作業的精確性及可控制性；（3）隨著加工次序的復雜、生產精度要求的提高，需要更加靈敏的傳感器以實現指令的傳動，提高加工質量。