淺析工業機器人離線編程技術

張桂娟 苗艷杰

摘要：離線編程技術是發展工業機器人的一種重要的關鍵技術。首先介紹了離線編程的概念，同時進一步介紹了離線編程組成及其關鍵技術；最后介紹了離線編程現狀以及提出了離線編程發展前景。由此可知離線編程技術有著很大的實用價值，去研究離線編程技術具有很重要現實意義。

關鍵詞：工業機器人；離線編程；傳感器；軌跡規劃

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0194-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Industrial Robot Offline Programming Technology

ZHANG Gui-juan， MIAO Yan-jie

（School of Mechatronics Engineering， Foshan University， Foshan 52800， China）

Abstract： Off-line programming technology is an important key technology for the development of industrial robots. Firstly， the concept of offline programming is introduced. At the same time， the composition of offline programming and its key technologies are introduced. Finally， the status quo of offline programming and the development prospect of offline programming are introduced. It can be seen that offline programming technology has great practical value. It is of great practical significance to study offline programming technology.

Key words： Industrial robot； Off line programming； sensor； Trajectory planning

近年來，人工智能AI掀起了一股熱潮，各國對人工智能AI尤其重視，特別是一些國家相應地制定一系列的政策去重視，如：美國已經把人工智能上升到國家戰略；德國重視的工業4.0在《德國2020高技術戰略》里面提出；中國的《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》，可見機器人影響著各國的未來。隨著我國社會老齡化不斷加劇，相應的一線焊接勞動工人也隨之減少[1]，而伴隨著工業機器人的出現，解決了勞動力的問題，使得人力的解放[2]。在工業機器人領域中，焊接機器人是應用最為廣泛的一種工業機器人[3]。目前國內機器人加工依靠主要依靠示教編程完成[4][5]，但是教編程也存在著新任務需要停機示教、編程過程煩瑣、需要施教者有經驗、生產效率低下、復雜軌跡難以精確示教等缺點[6-8]。與此同時，對于離線編程來說有如下優點：直觀地看到編程結果、機器人不停機地工作、使用范圍廣、改善了編程環境、運動軌跡的規劃更加復雜、工作效率更高等[5][9][10]。

1離線編程系統概述

離線編程技術是關于在特定的軟件環境下，利用計算機圖形學的成果建立起機器人及它的工作環境模型，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下，通過軟件仿真與調整軌跡過程進行解釋或編譯產生目標程序代碼，將生成相應的機器人程序代碼傳輸給機器人，讓機器人在實際環境中完成相對應的任務[11]，即總體上流程這樣的，先建物理模型，再進行仿真和編程，最后對結果進行后置處理。離線編程系統主要由建模平臺與數據接口、運動學計算、軌跡規劃、三維圖形動態仿真、傳感器、通信接口和誤差校正組成[6]。

2 離線編程系統的關鍵技術

離線編程系統的關鍵技術的關鍵技術有運動學計算和分析、軌跡規劃、程序模板等等，下面來介紹運動學計算和分析、軌跡規劃。

2.1 運動學計算和分析

機器人運動學求解算法對機器人系統離線編程或運動規劃的精度和速度的影響很大。由于不同機器人機械結構參數不同、工作環境不同，需要具有適合的運動學求解算法才能很好地滿足機器人仿真和工作需要。一般采用D-H法來建立運動學模型[2][12]，在離線編程中的運動學控制模塊是用來約束機器人的動作過程，根據環境、任務的不同來建立運動學正逆解模塊最優解。

2.2 軌跡規劃

軌跡規劃主要是指根據作業任務的相關要求，來計算出預期的相關運動軌跡。路徑點的運動學逆解和路徑插值是離線編程系統中軌跡規劃模塊的任務中主要的兩個問題。軌跡規劃方法主要有兩種：一種是關節空間的軌跡規劃方法要給出軌跡關鍵點和路徑點的一系列約束；另一種笛卡爾空間的軌跡規劃方法要給出參數化的路徑。其中笛卡爾空間規劃方法有直線和圓弧、S速度曲線、多項式、樣條曲線；而關節空間規劃方法有三次多項式、高階多項式、梯形速度插補、三次樣條曲線[13]、NBRUS插補[14]。

3 離線編程現狀和發展趨勢

下面簡單介紹離線編程現在發展的現狀以及未來向哪一方向進行完善。

3.1 離線編程現狀

工業機器人是在20世紀60年末由美國研發出來，國外對工業機器人離線編程的研究起步于70年代，而國內機器人離線編程起步于90年代。相對來說國外在工業機器人離線編程的研究比較深入，如有來自加拿大的Robotmaster軟件、以色列的軟件RobotWorks軟件、德國西門子旗下的ROBCAD軟件和KUKA公司的KUKA SIM軟件、英國系統公司的Grasp軟件、法國達索旗下的DELMIA軟件、日本的FANUC公司RobotGuide軟件和安川電機株式會社的MotoSim EG軟件、瑞士ABB公司的RobotStudio軟件，這些編程軟件在面向對象方面做得比較好，它們分別在生成軌跡、仿真、后置處理等方面有著自己的優勢。而我國相對較好的離線編程軟件是來自北京的Robot Art軟件，能應用于大部分主流工業機器人，也能很好地生成相應的軌跡，它在國內機器人領域是比較先進的。

3.2 離線編程發展趨勢

離線編程可以從某些方面進行研究推動其發展，下面淺談了關于從兩個方面去完善離線編程技術：

1） 傳感器技術的應用。目前對離線編程實際應用影響比較大的是機器人絕對定位精度。我們需要收集更多仿真與實際應用差別的信息，利用這些信息量弄成相應的算法制成相應的傳感器，能減少由于環境不同帶來的機器人絕對定位精度。

2） 研究軌跡規劃方法，現在的軌跡規劃方法能解決基本問題，也存在著缺點。以后利用流形與圖論結合起來應用在軌跡規劃上，能從幾何層面的理論高度上給出一個通用、廣泛通用的軌跡研究方法。

4 結論

離線編程技術將發揮著越來越大的作用。一方面工業機器人將會漸漸地應用到生產領域上，未來的生產將會慢慢形成一種先進的柔性生產制造，另一個方面在機器人培訓領域，是未來機器人的必然的示教方式，因而離線編程對工業機器人的技術發展起著關鍵作用，決定著工業機器人作業質量，是工業機器人開發應用研究得一個重要方向。

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【通聯編輯：梁書】