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工業(yè)機(jī)器人四種編程技術(shù),你知道幾種?

人工智能 機(jī)器人
當(dāng)前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆及打磨等領(lǐng)域,任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加,而用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來越高。在這種形式下,機(jī)器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量,提高編程效率,實(shí)現(xiàn)編程的自適應(yīng)性,從而提高生產(chǎn)效率,是機(jī)器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。

一、概述

當(dāng)前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆及打磨等領(lǐng)域,任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加,而用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來越高。在這種形式下,機(jī)器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量,提高編程效率,實(shí)現(xiàn)編程的自適應(yīng)性,從而提高生產(chǎn)效率,是機(jī)器人編程技術(shù)發(fā)展的***追求。

本文將就機(jī)器人編程技術(shù)的發(fā)展作一介紹,希望能給讀者帶來一些啟發(fā)。

二、編程技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況

對(duì)工業(yè)機(jī)器人來說,主要有三類編程方法:在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用中,手工示教仍然主宰著整個(gè)機(jī)器人焊接領(lǐng)域,離線編程適合于結(jié)構(gòu)化焊接環(huán)境,但對(duì)于軌跡復(fù)雜的三維焊縫,手工示教不但費(fèi)時(shí)而且也難以滿足焊接精度要求,因此在視覺導(dǎo)引下由計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人自主示教取代手工示教已成為發(fā)展趨勢(shì)。

1. 示教編程技術(shù)

(1)在線示教編程 通常由操作人員通過示教盒控制機(jī)械手工具末端到達(dá)指定的姿態(tài)和位置,記錄機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令,完成機(jī)器人在正常加工中的軌跡規(guī)劃、位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、記錄。

示教盒示教具有在線示教的優(yōu)勢(shì),操作簡(jiǎn)便直觀。如圖1所示,示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如,采用機(jī)器人對(duì)汽車車身進(jìn)行點(diǎn)焊,首先由操作人員控制機(jī)器人達(dá)到各個(gè)焊點(diǎn)對(duì)各個(gè)點(diǎn)焊軌跡通過人工示教,在焊接過程中通過示教再現(xiàn)的方式,再現(xiàn)示教的焊接軌跡,從而實(shí)現(xiàn)車身各個(gè)位置各個(gè)焊點(diǎn)的焊接。車身機(jī)器人點(diǎn)焊過程如圖2 所示。但在焊接中車身的位置很難保證每次都完全一樣,故在實(shí)際焊接中,通常還需要增加激光傳感器等對(duì)焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。 

 

 

機(jī)器人 

圖1 機(jī)器人示教盒 

 

 

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圖2 汽車車身機(jī)器人點(diǎn)焊

(2)激光傳感輔助示教

在空間探索、水下施工、核電站修復(fù)等極限環(huán)境下,操作者不能身臨現(xiàn)場(chǎng),焊接任務(wù)的完成必須借助于遙控方式。環(huán)境的光照條件差,視覺信息不能完全地反饋現(xiàn)場(chǎng)的情況,采用立體視覺作為視覺反饋手段,示教周期長(zhǎng)。激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息,反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了用于遙控焊接的激光視覺傳感輔助遙控示教技術(shù),克服了基于立體視覺顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過激光視覺傳感提取焊縫特征點(diǎn)作為示教點(diǎn),提高了識(shí)別精度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面曲線焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教(見圖3)。 

 

 

基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng) 

圖3 基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng)

(3)力覺傳感輔助示教

由于視覺誤差,立體視覺示教精度低,激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息,反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無法適應(yīng)所有遙控焊接環(huán)境,如工件表面狀態(tài)對(duì)激光輔助示教有一定影響,不規(guī)則焊縫特征點(diǎn)提取困難,為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了“遙控焊接力覺遙示教技術(shù)”,采用力傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行辨識(shí),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,反應(yīng)靈敏度高,力覺傳感與焊縫直接接觸,示教精度高。通過力覺遙示教焊縫辨識(shí)模型和自適應(yīng)控制模型,實(shí)現(xiàn)遙示教局部自適應(yīng)控制,通過共享技術(shù)和視覺臨場(chǎng)感實(shí)現(xiàn)人對(duì)遙控焊接遙示教宏觀全局監(jiān)控。

(4)專用工具輔助示教

為了使得機(jī)器人在三維空間示教過程更直觀,一些輔助示教工具被引入在線示教過程,輔助示教工具包括位置測(cè)量單元和姿態(tài)測(cè)量單元,分別來測(cè)量空間位置和姿態(tài)。由兩個(gè)手臂和一個(gè)手腕組成,有6個(gè)自由度,通過光電編碼器來記錄每個(gè)關(guān)鍵的角度。操作時(shí),由操作人員手持該設(shè)備的手腕,對(duì)加工路徑進(jìn)行示教,記錄下路徑上每個(gè)點(diǎn)的位置和姿態(tài),再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的加工路徑值,實(shí)現(xiàn)示教編程,操作簡(jiǎn)便, 精度高,不需要操作者實(shí)際操作機(jī)器人,這對(duì)很多非專業(yè)的操作人員來說是非常方便的。

借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教,提高了機(jī)器人使用的柔性和靈活性,降低了操作的難度,提高了機(jī)器人加工的精度和效率,這在很多場(chǎng)合是非常實(shí)用的。

2. 離線編程技術(shù)

與在線編程相比,離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn):

①減少停機(jī)的時(shí)間,當(dāng)對(duì)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使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境,改善了編程環(huán)境。

③使用范圍廣,可以對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程,并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程。

④便于和CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)合,做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。

⑤可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程。

⑥便于修改機(jī)器人程序。

(1)編程關(guān)鍵步驟 機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果,通過對(duì)工作單元進(jìn)行三維建模,在仿真環(huán)境中建立與現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景,采用規(guī)劃算法對(duì)圖形進(jìn)行控制和操作,在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃,進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。其中關(guān)鍵步驟如圖4所示。圖5 為采用FANUC 公司的Roboguide軟件進(jìn)行離線編程的一個(gè)實(shí)例。產(chǎn)品為大眾汽車模具的一部分,需要對(duì)其表面進(jìn)行激光熔覆,由于表面較為復(fù)雜,采用人工示教方式確定路徑幾無可能,故采用離線編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型,以及機(jī)器人和模具之間的幾何位置關(guān)系,然后根據(jù)特定的工藝進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線編程仿真,確認(rèn)無誤后下載到機(jī)器人控制中執(zhí)行,實(shí)踐證明取得了較好的效果。 

 

 

離線編程中的關(guān)鍵步驟 

圖4 離線編程中的關(guān)鍵步驟 

 

 

基于Roboguide的離線編程和仿真 

圖5 基于Roboguide的離線編程和仿真

(2)商業(yè)離線編程軟件 一般包括: 幾何建模功能、基本模型庫(kù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規(guī)劃功能、自動(dòng)編程功能、多機(jī)協(xié)調(diào)編程與仿真功能。

第三方離線編程(國(guó)內(nèi)):RobotArtRobotMaster、 RobotWorks、Robomove、RobotCAD、DELMIA 

 

 

 

機(jī)器人廠家(國(guó)外):(ABB)RobotStudio、(發(fā)那科) RoboGuide、(庫(kù)卡)KUKA Sim 、(安川)MotoSim

可對(duì)系統(tǒng)布局進(jìn)行模擬,確認(rèn)TCP的可達(dá)性,是否干涉,也可進(jìn)行離線編程仿真,然后將離線編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機(jī)器人中執(zhí)行。

3. 自主編程技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展,各種跟蹤測(cè)量傳感技術(shù)日益成熟,人們開始研究以焊縫的測(cè)量信息為反饋,由計(jì)算機(jī)控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。

(1)基于激光結(jié)構(gòu)光的自主編程 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主規(guī)劃其原理是將結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機(jī)器人的末端,形成“眼在手上”的工作方式,如圖6所示,利用焊縫跟蹤技術(shù)逐點(diǎn)測(cè)量焊縫的中心坐標(biāo),建立起焊縫軌跡數(shù)據(jù)庫(kù),在焊接時(shí)作為焊槍的路徑。 

 

 

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圖6 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主編程

韓國(guó)Pyunghyun Kim 將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在 6 自由度焊接機(jī)器人末端,對(duì)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自由表面焊縫進(jìn)行了自主示教。在焊縫上建立了一個(gè)隨焊縫軌跡移動(dòng)的坐標(biāo)來表達(dá)焊縫的位置和方向,并與連接類型(搭接、對(duì)接、V 形)結(jié)合形成機(jī)器人焊接路徑,其中還采用了 3 次樣條函數(shù)對(duì)空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合,避免了常規(guī)的直線連接造成的誤差,如圖7所示。 

 

 

傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑 

圖7 傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑

(2)基于雙目視覺的自主編程 基于視覺反饋的自主示教是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑自主規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù),其主要原理是:在一定條件下,由主控計(jì)算機(jī)通過視覺傳感器沿焊縫自動(dòng)跟蹤、采集并識(shí)別焊縫圖像,計(jì)算出焊縫的空間軌跡和方位(即位姿),并按優(yōu)化焊接要求自動(dòng)生成機(jī)器人焊槍(Torch)的位姿參數(shù)。

(3)多傳感器信息融合自主編程 有研究人員采用力控制器,視覺傳感器以及位移傳感器構(gòu)成一個(gè)高精度自動(dòng)路徑生成系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖8所示,該系統(tǒng)集成了位移、力、視覺控制,引入視覺伺服,可以根據(jù)傳感器反饋信息來執(zhí)行動(dòng)作。該系統(tǒng)中機(jī)器人能夠根據(jù)記號(hào)筆所繪制的線自動(dòng)生成機(jī)器人路徑,位移控制器用來保持機(jī)器人T C P點(diǎn)的位姿,視覺傳感器用來使得機(jī)器人自動(dòng)跟隨曲線,力傳感器用來保持TCP點(diǎn)與工件表面距離恒定。 

 

 

基于視覺、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統(tǒng) 

圖8 基于視覺、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統(tǒng)

4. 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的編程技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù),這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并互動(dòng),增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維物體融合到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,加強(qiáng)了用戶同現(xiàn)實(shí)世界的交互。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于機(jī)器人編程具有革命性意義。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬的空間信息,它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)揮了動(dòng)畫仿真的優(yōu)勢(shì)并提供了現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺(tái)虛擬的飛機(jī)清洗機(jī)器人模型被應(yīng)用于按比例縮小的飛機(jī)模型??刂铺摂M的機(jī)器人針對(duì)飛機(jī)模型沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng),進(jìn)而生成機(jī)器人程序,之后對(duì)現(xiàn)實(shí)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定和編程。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)(RPAR)能夠在虛擬環(huán)境中沒有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機(jī)器人離線編程。由于能夠?qū)⑻摂M機(jī)器人添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,所以當(dāng)需要原位接近的時(shí)候該技術(shù)是一種非常有效的手段,這樣能夠避免在標(biāo)定現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)編程的架構(gòu)如圖9所示,由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規(guī)劃以及路徑規(guī)劃的虛擬機(jī)器人仿真和現(xiàn)實(shí)機(jī)器人驗(yàn)證等環(huán)節(jié)組成。 

 

 

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程架構(gòu) 

圖9 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程架構(gòu)

總結(jié):傳統(tǒng)的在線示教編程將只在很少的場(chǎng)合得到應(yīng)用,隨著技術(shù)的更新,后三種會(huì)慢慢增長(zhǎng),有的還是在技術(shù)研發(fā)期,誰(shuí)先有突破,都將獲得市場(chǎng)。 

責(zé)任編輯:龐桂玉 來源: 工業(yè)機(jī)器人培訓(xùn)
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