林少丹

（福建船政交通職業(yè)學院，福州350007）

0 引言

工業(yè)機器人是先進制造技術和自動化裝備的典型代表，是一種能自動化定位控制并可重新編程序來變動的多功能機器［1］。針對五金鑄件的外表面幾何形狀變化多樣、幾何細節(jié)復雜、工件的成型變形等特點，研究開發(fā)具有智能化高效拋光的應用軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)能根據(jù)被拋光工件的實體模型進行視覺位置標定、工件拋光要求以及拋光機器人的運動實現(xiàn)機制，實現(xiàn)拋光軌跡規(guī)劃的自動生成，并具有磨拋路徑校正補償、磨拋路徑自學習、磨拋工具與工件接觸力自適應以及拋光補拋等功能。

1 工業(yè)機器人仿真控制技術

1.1 機器人視覺位置標定

視覺（CCD）功能需結(jié)合視覺、視覺軟件進行聯(lián)合工作。機器人配置視覺系統(tǒng)后，可以在沒有進行重復的示教點位工作情況下，還能夠準確無誤地進行定位。視覺系統(tǒng)的作用是進行準確定位，并將定位后的準確位置傳遞給機器人，機器人就運行到該位置。因此準確配置視覺系統(tǒng)是機器人示教系統(tǒng)能否成功運作的前提條件。

CCD系統(tǒng)不能同時在機器人控制器上運行，必須獨立運行在另一臺控制機上，最后通過RS232串口與機器人進行通訊。機器人系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)之間是通過RS232進行通信。為此，必須建立視覺通信協(xié)議。其通信主體協(xié)議如圖1所示。

圖1 視覺系統(tǒng)通信主體協(xié)議

如上圖所示，主體協(xié)議分為2部分：

（1）機器人控制系統(tǒng)向視覺系統(tǒng)發(fā)送模板名稱，其格式為：｛M：模板名｝。

（2）視覺系統(tǒng)將N個識別結(jié)果反饋回給機器人控制器，對于每一個識別返回3個數(shù)據(jù)值：像素坐標X方向值、像素坐標Y方向值、像素坐標旋轉(zhuǎn)角度值。N個識別對象，將返回所有的數(shù)據(jù)值給機器人控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)格式為：｛V：x1 y1angle1；x2 y2angle2；...；xn yn anglen；｝。

1.2 視覺固定

在CCD固定時，采用的固定步驟包括以下幾步：

（1）將機器人回到零點位置；

（2）CCD懸掛，將視覺懸掛于機器人正上方，根據(jù)精度和工作范圍的要求確定視覺的懸掛高度和位置。固定時應盡量做到視覺的平面與工作面平行；懸掛時請注意視覺的末端要高于機器人的最高點，防止機器運行時撞壞視覺設備。

（3）糾正視覺安裝方向，確保CCD中X坐標方向與機器人X坐標軸方向相同，盡量做到一致。之間夾角不能過大，需在－90°～90°。如圖2所示。

圖2 機器人坐標系和CCD坐標系示意圖

2 示教系統(tǒng)研發(fā)

完成了視覺標定功能后，示教控制則是仿真示教器的重要模塊。當今世界上大部分的工業(yè)機器人仍然是以示教再現(xiàn)的方式進行工作。本系統(tǒng)的工業(yè)機器人是以ABB的6軸工業(yè)機器人為模型，而ABB的工業(yè)機器人同樣也是以示教方式進行工作，因此在本仿真示教器軟件中，對示教功能進行了仿真［2］。

磨拋機器人不僅要求控制定位，還需要對定位點之間的運動路徑和移動速度等加以精確的控制，所以需采用CP控制方式。實施CP控制方式，必須對機器人的連續(xù)運動路徑進行示教。本課題所研究的用于磨拋加工的機器人采用PTP示教CP插補再現(xiàn)型的示教方式。對運動路徑上的代表點進行示教，同時也對它們之間的軌跡形狀（例如，直線、圓弧等）進行示教，待機器人進行在線運動時，通過插補等運算進行復原。機器人示教系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機器人示教系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3 磨拋機器人路徑規(guī)劃及位置控制

磨拋機器人路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人磨拋作業(yè)的要求，對其末端操作器在工作過程中位姿變化的路徑、取向及變化速度和加速度進行實時計算和設定，它是磨拋機器人控制的依據(jù)，所有控制的目的都在于精確實現(xiàn)所規(guī)劃的運動。磨拋機器人位置控制技術是指已知磨拋機器人幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對于基礎坐標系的位姿，求機器人各關節(jié)變量的值，并同時進行速度控制。

3.1 擬解決的技術難點

針對中小型水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品存在種類多、形狀各異以及加工要求多樣的特點，在磨拋機器人6個關節(jié)合理優(yōu)化布置的前提下，結(jié)合磨拋對象這些特點進行路徑規(guī)劃和位置控制研究，實現(xiàn)機器人高精度通用化作業(yè)任務。機器人的路徑規(guī)劃除了需要考慮完成作業(yè)任務的基本需求外，還需考慮機器人作業(yè)過程中的沖擊、避障及保障操作員安全等要求。

3.2 磨拋機器人路徑規(guī)劃

本課題首先采用空間矢量計算方法建立空間直線插值方程，通過建立新坐標系和推導坐標轉(zhuǎn)換矩陣得到空間圓弧的插值方法，采用三次樣條曲線插值空間位置得到樣條軌跡［3］。然后，采用B樣條曲線插值關節(jié)位置—時間節(jié)點序列，得到關節(jié)位置、速度、加速度、加加速度均連續(xù)的軌跡，且軌跡起始和終止位置的速度、加速度和加加速度可以任意配置，有效解決了機器人的平滑軌跡規(guī)劃和軌跡動態(tài)拼接問題。最后，將機器人各關節(jié)的速度、加速度和加加速度約束轉(zhuǎn)化為B樣條曲線的控制頂點約束，并適當放寬約束條件，進一步規(guī)劃出時間最優(yōu)且加速度連續(xù)的軌跡。為提高機器人關節(jié)運動的平滑性，將關節(jié)加加速度累積效果作為優(yōu)化指標，采用優(yōu)化算法搜索具有運動學約束和運動時間約束的最小加加速度累積指數(shù)及對應的時間節(jié)點，進而得到最優(yōu)平滑軌跡，為避免關節(jié)加速度突變、延長關節(jié)使用壽命提供了理想的軌跡。

3.3 磨拋機器人位置控制技術

工業(yè)機器人位置控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制（如圖4所示）。為了水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品磨拋加工的需求，本課題研發(fā)的磨拋機器人將采用連續(xù)軌跡控制。其特點是連續(xù)控制工業(yè)機器人手爪（或工具）的位姿軌跡，要求速度可控、軌跡光滑且運動平穩(wěn)［4］。

圖4 連續(xù)軌跡位置控制方式

為實現(xiàn)位置的連續(xù)控制，磨拋機器人可通過插補算法，多軸協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)精確的空間軌跡跟蹤。在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機器人按預定的指令，控制運動部件的速度和實行加、減速，以滿足運動平穩(wěn)、定位準確的要求。

由上述方法在離線仿真軟件中實現(xiàn)了仿真示教盒后進行示教。本系統(tǒng)的示教界面如圖5。利用軟件界面上的調(diào)節(jié)按鈕，可以慢速地控制仿真系統(tǒng)中的工業(yè)機器人各關節(jié)運動并完成示教的實際要求。

圖5 仿真示教器界面

手動調(diào)節(jié)中，脈沖單位時：“＋”表示逆時針方向轉(zhuǎn)動手臂；“－”表示順時針方向轉(zhuǎn)動手臂（如圖6）；毫米單位時：“＋”表示沿X或Y正軸方向作直線移動；“－”表示沿X或Y負軸方向作直線移動。其中對于Z軸，“＋”表示向下移動，“－”表示向上移動。

為了安全操作機器人，手動運行的速度設置不易過高，為此軟件中自動設置手動運行速度上限為20%，也即可設速度為0.1%～20%。

4 示教調(diào)節(jié)運行

點擊各軸的手動調(diào)節(jié)按鈕“＋”、“－”對機械手進行位置的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)模式有2種：一種是以“脈沖”為單位的單軸運動模式，一種是以“mm”為單位的直線軌跡運動模式。當以“脈沖”單位進行調(diào)節(jié)時，是單獨控制各軸作單一運動；當以“mm”為單位進行調(diào)節(jié)時，機械手將在空間坐標系的XYZ方向上進行運動，此時，R軸的位置代表末端相對于基座坐標系的旋轉(zhuǎn)角度。在“脈沖”模式下各軸的運動（除了Z軸）都是以軸中心作為軸線，以臂長作為半徑作圓弧運動。

圖6解析了Y軸的正向和負向運動，正向運動（逆時針方向）角度θ1，負向運動（順時針方向）θ2角度，在整個運動過程中，Y臂是以Y軸為中心，以Y臂長度為半徑作圓弧運動，其他軸都沒有發(fā)生運動。

圖7解析了X軸的正向和負向運動，同Y軸一樣，在脈沖模式下X臂也作圓弧運動，根據(jù)幾何知識可知，末端點也在沿一定的標準圓弧軌跡移動。在運動過程中，X臂和Y臂之間的夾角一直不變。

圖6 脈沖模式下手動運行Y軸運行過程解析圖

圖7 脈沖模式下手動運行X軸運行過程解析圖

Z軸不論是在“脈沖”模式下還是在“mm”模式下，其運行方向只有上下，也只作單軸運動。在功能上比較獨立，因此，不再論述Z軸的運行情況。

5 結(jié)語

本文所討論的是工業(yè)機器人視覺位置標定，示教和磨拋軌跡規(guī)劃等仿真控制中的主要模塊。主要創(chuàng)新點有：

（1）結(jié)合拋光機器人的運動實現(xiàn)機制，通過分解拋光動作、確定工件拋光姿態(tài)及位置與拋光軌跡的關系，實現(xiàn)自動化的拋光路徑軌跡規(guī)劃生成。

（2）首先采用空間矢量計算方法建立空間直線插值方程，通過建立新坐標系和推導坐標轉(zhuǎn)換矩陣得到空間圓弧的插值方法，采用三次樣條曲線插值空間位置得到樣條軌跡，從而準確得到機器人磨拋軌跡的方法。

目前還待解決的技術難點：

（1）在不規(guī)則與多變的復雜曲面，進行精確的三維建模技術。

（2）在有較高工藝要求及曲面要求時，所生成磨拋示教軌跡有待更加優(yōu)化的虛擬仿真與修正技術。

通過上述方法構(gòu)建磨拋機器人仿真控制軟件系統(tǒng)降低了在線示教的時間，工業(yè)機器人的生產(chǎn)效率有了很大的提高［5］。

［1］劉克.工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)［J］.福建農(nóng)機，2010（4）：39－41.

［2］夏發(fā)平.工業(yè)機器人運動學建模與仿真研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［3］林少丹，傅高升，劉克，等.自動磨拋系統(tǒng)中工業(yè)機器人示教操作過程分析［J］.福建工程學院學報，2011（3）：35－37.

［4］張智勇.工業(yè)機器人運動仿真及作業(yè)仿真系統(tǒng)［D］.上海：上海大學，2005.

［5］林少丹，傅高升.基于工業(yè)機器人的自動磨拋系統(tǒng)柔性加工系統(tǒng)設計［J］.成都信息工程學院學報，2012，27（5）：66－68.