基于MATLAB的機器人涂膠離線仿真與編程研究

李琰，劉歡慶，高建設，蘇宇鋒

(鄭州大學機械與動力工程學院，河南鄭州 450000)

0 前言

在電芯涂膠工作單元中需要用到6R機器人，而實現機器人任務作業必然離不開機器人的編程技術，示教是工業機器人作業任務的首要前提。工業機器人的示教技術主要包括：在線示教和離線示教兩種工作方式[1]。目前，工業機器人的作業任務程序主要靠在線示教編程來實現。在線示教需要機器人停機編程，影響生產，而且依靠操作員目視采點精度不高，操作人員在惡劣環境進行在線編程時，其人身安全得不到保證[2-3]。機器人的離線示教方式解決了面對復雜任務編程時傳統的在線示教效率低、精度差和安全性等問題。因此離線示教在工業生產過程中得到了廣泛的應用[4]。離線示教編程是通過建立機器人和周圍環境的三維模型，并對該模型進行控制和變換，使機器人模型按照相應的作業軌跡進行運動并生成作業程序控制物理機器人運動[5]，可以有效規避手動在線示教的上述缺點。基于此，國內外對于機器人離線編程都進行了一定研究，如日本的安川公司研發的離線編程軟件MotoSimEG，可以在虛擬空間中模擬機器人作業環境，進行作業任務仿真并生成程序，然后傳輸到機器人控制柜中[6]。德國庫卡公司研發的離線編程軟件KUKASim也具有相似功能[7]。但這些軟件不開源，只能用于所屬公司的機器人。國內有上海交通大學機器人研究所的曾建軍、楊汝清等開發的排爆機器人離線編程系統，可搭建機器人和爆炸物的虛擬環境，來增強操作者感知排爆物的能力[8]；沈陽航空航天大學的屈力剛、李見等人開發的基于CATIA的機器人離線編程系統，可以快速方便地進行機器人離線作業，并按照預先規劃的軌跡快速、高精度地完成飛機進氣道噴涂[9]。

機器人離線編程系統具有廣闊的應用前景，且國內在該技術上大多仍處于實驗室階段，因此現階段的研究具有很大應用意義[10]。為了實現高質量、高效率自動化生產，本文作者以六自由度的KUKA KR16機器人涂膠電芯為研究實例，研究了6R工業機器人的多種任務規劃方式，還將離線示教編程與自動編程進行了結合。離線自動編程不僅使涂膠作業精度和加工質量得以提高，而且還提高了生產效率。

1 虛擬工作環境建模

文中工業機器人的三維模型是通過SolidWorks三維建模軟件構建的。為實現整個機器人的可視化模型運動，首先將機器人的關節模型保存為STL的數據文件，利用MATLAB中的read STL算法讀取機器人關節模型的數據文件，先讀取基座的數據文件，顯示結果如圖1中的{WORLD}所示，接著讀取連桿1，此時{WORLD}坐標系與{1}坐標系重合，因此需要對連桿1平移和旋轉，將連桿1調整為圖中所示。按照連桿1可視化的流程，從而能夠實現整個機器人的可視化。

圖1 工業6R機器人虛擬可視化流程Fig.1 Virtual visualization process for industrial 6R robot

實現了虛擬機器人場景模型的建立以后，還需要在MATLAB軟件的框架下實現機器人的運動控制，以便實現對機器人相應的操作和設置。

文中的機器人運動模型是根據D-H參數法建立，表1為包含關節旋轉范圍的D-H參數[11]。

表1 KR16-2 D-H參數Tab.1 KR16-2 D-H parameters

機器人的正運動由表1中的αi、ai、θi、di經過齊次坐標變換可得末端工具坐標系的位姿，末端執行器相對于基坐標系的總變換為

0T6=0T1·1T2·2T3·3T4·4T5·5T6=

(1)

機器人的正解是根據機器人關節角度計算工具的位姿，而機器人運動學逆解則是根據工具的位姿計算機器人的關節角度。接下來分析機器人解析式求解的過程。

(2)

由等式兩邊二行四列元素相等得-pxsinθ1+pycosθ1=0，變換得tanθ1=py/px→θ1=arctan(py/px)。同理經過矩陣變換可求得其他角度。最終確定θ1～θ6的解析表達式。解的排列組合共有8組，而這組解中一定有一個各關節轉動角度最小的解，即一個“最短行程”的最優解。KR16機器人有個大連桿，附帶個小連桿，在確定“最短行程”解時使用加權系數，使選擇側重于移動小連桿而不是大連桿。在存在障礙的情況下，為了避免碰撞，這時可以選擇一個次優解[12]。

2 離線手動編程和自動編程的實現

2.1 機器人控制指令解析和創建

通過在虛擬場景下操作虛擬機器人生成虛擬作業程序，再對虛擬作業程序進行解析，從而控制虛擬空間中的機器人進行作業任務。當然，結合物理機器人運動控制器而編寫的虛擬指令也能夠有效控制物理機器人進行作業任務運動。

所研究的工業機器人采用的編程語言是庫卡機器人編程語言(KUKA Robot Language，KRL)，機器人的控制指令主要包括4大部分：程序的定義、程序的初始化、運動控制指令和結束標記符。

執行部分主要是運動控制指令。機器人的運動控制指令是由SRC 格式的程序文件和 DAT格式的數據文件共同組成。SRC程序文件中包括機器人控制指令、變量的使用、函數的調用等程序語句，SRC文件中所使用的變量定義和賦值都是在DAT數據文件中完成的。DAT數據部分是根據虛擬工作空間中機器人各關節的角度，由前述機器人運動學方程求解機器人末端執行器的位姿數據，然后由此替換程序中各點處的參數即可。

機器人指令解析和生成流程如圖2所示。

圖2 機器人指令解析和生成流程Fig.2 Robot instruction parsing and generation process

2.2 離線示教編程的任務規劃

通過開發六自由度機器人的離線示教界面，使用戶通過示教界面實現對KUKA KR16型工業機器人的運動控制，有效提高工業機器人的編程效率，保證示教過程中的安全性。為了使得示教界面具有良好的交互性和實時性，采用了MATLAB GUI建立了機器人虛擬場景和編程界面。所開發的示教界面如圖3所示。

圖3 離線示教界面Fig.3 Offline teaching interface

離線示教界面具有物理示教器的基本功能，整個示教界面主要由關節空間操作面板、笛卡爾空間操作面板、顯示面板和程序面板組成。關節空間面板和笛卡爾空間面板主要負責對工業機器人示教運動控制，該面板是實現手動離線編程的重要前提。顯示面板用來顯示機器人當前狀態下的位姿數據，該數據采用了兩個表達方式：齊次變換矩陣和四元數。程序面板主要用來實現機器人控制程序的編輯，將控制程序保存為物理環境中機器人的可執行文件。除了機器人離線示教界面外，還需要整個機器人離線示教的底層核心算法，運動控制算法包括虛擬場景的顯示、虛擬場景中三維模型的運動控制、軌跡規劃插補算法以及示教程序的編譯解析等。其中軌跡規劃和運動控制是進行機器人作業任務的基礎，程序編譯器的構造為運行可執行程序奠定了基礎[13]。

涂膠機器人手動離線示教的過程為：首先，拖動滑塊將膠槍拖到作業任務點，在程序面板中編輯作業程序；然后，調用運動學正逆解、路徑規劃算法將位姿信息轉化為各個關節角度信息，從而能夠將作業程序生成為可執行程序。最終離線示教的過程如圖4所示。

2.3 離線自動編程的任務規劃

在離線示教的作業任務規劃中要從二維平面采集三維空間中的點，由于視角的原因，有一些點位信息采集不準，為此本文作者研究基于離線自動編程的任務規劃。

首先在電芯表面建立工件坐標系，如圖5所示。然后，求取參考坐標系相對于基坐標系的變換矩陣。不妨設參考坐標系{p}繞X軸的轉動角度為θ，此時坐標系{p}相對于基坐標系的姿態為

(3)

接著調節虛擬示教界面上的滑塊，使得末端執行器與參考坐標系{p}重合，讀取此時虛擬示教界面上機器人的位置坐標(xp,yp,zp)， 最后，在參考坐標系{p}下，對電芯的表面規劃涂膠軌跡。假設電芯表面的上某一任務點坐標為p1(xp1,yp1,zp1)，則這一任務點在基坐標系下的位置坐標為

(4)

建立好參考坐標系，然后設定電芯的尺寸和涂膠軌跡的參數，可以自動生成前述工業機器人運動控制指令格式的可執行程序，即可控制KR16機器人按預設軌跡完成作業。

圖5 參考坐標系示意Fig.5 Diagram of the reference coordinate system

3 虛擬程序對機器人的控制

離線仿真的最終目的是為了控制真實物理環境中的機器人，而控制程序的創建是實現機器人離線仿真系統應用于作業任務中的關鍵。控制程序的創建使虛擬場景中的機器人與物理場景中的機器人能夠有效地聯系在一起。

采用KUKA KR16六自由度工業機器人，在機器人末端法蘭盤上安裝膠槍。

根據涂膠任務，預先設計相應的編程軌跡，通過離線示教和自動編程相結合的方式生成虛擬指令程序。此時的編程的原則為：對于要求精度不高的任務點使用離線示教編程，精度高的任務點使用自動編程，既保證了編程速度也提高了加工作業精度。仿真過程如圖6所示。

圖6 仿真畫面

將虛擬指令下載達到機器人控制柜中，運行程序。如圖7所示，涂膠機器人運行至作業目標點，此時 KUKA 機器人的繼電器得電，膠泵閥門打開，膠槍開始出膠。當機器人快速完成電芯的涂膠任務時，關閉膠泵閥門，涂膠機器人快速回到“HOME” 位置，可以看出，作業任務軌跡為“回”字形狀。

圖7 機器人涂膠流程

4 結束語

以電芯模組涂膠系統為研究對象實現了虛實相結合的6R 機器人作業任務開發。首先，對6R機器人進行了建模和運動分析；然后對KUKA機器人指令進行了解析，并介紹了離線示教編程、自動編程；最后由離線仿真系統生成相應的控制程序，使機器人按照相應的軌跡運動。避免了在線手動示教必須親臨現場、占用機器人工時和精度不穩定的缺點，提高了生產效率，而且采用離線手動編程和自動編程相結合的方法可以節約編程時間，提高編程精度。