董詩繪

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)線上已廣泛應(yīng)用。目前主要應(yīng)用于汽車焊接、噴涂及危險場合某些工序上。隨著空間操作任務(wù)的復(fù)雜性不斷加大和智能化不斷提高，機(jī)器人在運(yùn)動過程中可能發(fā)生碰撞從而導(dǎo)致各手臂之間不能協(xié)調(diào)運(yùn)動，甚至由于碰觸而使設(shè)備損壞。所以如何處理機(jī)器人在工作時的干涉已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問題。

本研究以機(jī)器人焊接生產(chǎn)線為研究對象，在實際生產(chǎn)中，有些焊接工件的曲面是非常復(fù)雜的，焊槍與之發(fā)生碰觸時很難被發(fā)現(xiàn)。而工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動時所規(guī)劃的路徑不允許發(fā)生機(jī)器人和焊槍與其他物體間碰觸以及多個機(jī)器人之間的相互干擾。由于焊裝線上設(shè)備集中，空間擁擠，且焊點分布廣泛，因此，在機(jī)器人執(zhí)行程序操作過程中，經(jīng)常產(chǎn)生干擾。主要有2 種：一種是機(jī)器人與工裝設(shè)備（例如機(jī)器人底座、夾具、放料架等）發(fā)生碰撞；另一種是多機(jī)器人碰撞（多機(jī)器人同時工作時，機(jī)器人相互干擾或碰觸，彼此之間發(fā)生碰撞）。

1 機(jī)器人與工裝器具發(fā)生干涉

以Robcad 軟件為平臺，采用兩臺ABB IRB6640型機(jī)器人焊接同一個后圍板。選用ABB IRB6640 型工業(yè)機(jī)器人，如圖1 所示。選用X 型焊槍，X 型焊槍的固定在機(jī)器人上，其安裝坐標(biāo)必須與機(jī)器人末端軸上的法蘭坐標(biāo)姿態(tài)相同。

圖1 ABB IRB6640 型工業(yè)機(jī)器人

為了防止機(jī)器人焊槍發(fā)生碰觸導(dǎo)致電流分流造成能量損失，機(jī)器人進(jìn)行點焊時焊槍必須無障礙地通過板件的空間曲面，焊槍電極到達(dá)焊點所屬面的法線方向時夾緊通電。因此，機(jī)器人運(yùn)動路徑的規(guī)劃必須避免機(jī)器人、焊槍與夾具等發(fā)生干涉。

ROBCAD 具有自動干涉校驗功能，能夠檢查兩組部件是否發(fā)生干涉[1]。如發(fā)生干涉系統(tǒng)會發(fā)出報警提示（發(fā)出聲音或紅色報警顯示）。工業(yè)機(jī)器人點焊動作仿真時，機(jī)器人、焊槍和后圍板工件通常設(shè)置為干涉對象，出現(xiàn)干涉情況會以紅色顯示報警并發(fā)出聲音，如圖2 所示。

圖2 焊槍與夾具發(fā)生干涉

機(jī)器人焊槍與夾具發(fā)生干涉時，需要調(diào)整焊點的姿態(tài)，從而調(diào)整焊槍的角度和機(jī)器人的姿態(tài)，避免焊槍與夾具碰撞。在路徑仿真過程中，有些干涉無法通過調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)或焊槍角度避免，這時可以采取增加“過渡點”的方法，繞開與之發(fā)生干涉的障礙物，改變局部焊接路徑。如圖3 所示，在第四個焊點（llwp_1032）與第五個焊點（llwp_1032）之間增加兩個“過渡點”（lo1、lo2），改變了焊接路徑，避免了焊槍與夾具干涉。圖4 是焊點姿態(tài)優(yōu)化前后對比，可以看出調(diào)整后的焊點的x軸大致與TCP 的x軸方向相同。

圖3 增加“過渡點”后的路徑

圖4 焊點姿態(tài)調(diào)整前后

2 雙機(jī)器人碰撞

在機(jī)器人實際應(yīng)用中，經(jīng)常使用兩個或多個機(jī)器人在同一工作單元作業(yè)，因此多機(jī)器人的工作空間常常存在重疊和交叉區(qū)域，在這種仿真情況下，機(jī)器人的避碰問題就不僅涉及一個機(jī)器人與工裝器具之間的碰撞，此時多個機(jī)器人之間已形成動態(tài)障礙關(guān)系，還應(yīng)考慮多機(jī)器人之間的相互碰撞。

為了提高焊接線工作效率，需使用兩個機(jī)器人焊接同一塊后圍板，使各個機(jī)器人同時完成各自的任務(wù)。當(dāng)兩個機(jī)器人處于同一工作單元時，就要解決機(jī)器人之間相互干擾問題（圖5）。為了避免兩個機(jī)器人在運(yùn)動過程中的相互碰撞，要對任意狀態(tài)下機(jī)器人之間存在的潛在碰撞進(jìn)行檢測，通過Collsion Setup 設(shè)置兩個機(jī)器人的干涉對象[2]，來檢測碰撞（圖6）。

圖5 雙機(jī)器人碰撞

圖6 雙機(jī)器人干涉

當(dāng)雙機(jī)器人同時焊接后圍板時，兩個機(jī)器人必須順著同一個方向焊接并且規(guī)劃好各自焊接路徑的起始點，即robot1 和robot2 都從各自焊接任務(wù)的左側(cè)焊點開始焊接或者右側(cè)焊點開始焊接[3]。

通過調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)、增加“過渡點”都無法避免兩個機(jī)器人的碰撞，則需要改變焊點的順序[4]。如圖7 所示，機(jī)器人robot1 焊接路徑中的原焊點順序是：llwp_10 11、llwp_1008、llwp_1010、llwp_1009、llwp_1005，增加通過點和改變焊點后的順序調(diào)整為：llwp_1005、llwp_1009、llwp_1010、llwp_1008、llwp_llwp_1011，兩個機(jī)器人碰撞問題得到解決。

圖7 調(diào)整焊點后的焊接順序

工業(yè)機(jī)器人在工作時會發(fā)生干涉，要保證機(jī)器人安全運(yùn)行，必須避免這種情況發(fā)生。針對干涉發(fā)生的不同情況，提出了解決辦法：

（1）在進(jìn)行機(jī)器人仿真前，規(guī)劃好焊點的起始點，盡量避免兩個機(jī)器人同時進(jìn)入同一區(qū)域。

（2）發(fā)生干涉時，可以調(diào)整機(jī)器人的焊接姿態(tài)。

（3）雙機(jī)器人同時工作時，如焊接同一個工件時，兩個機(jī)器人順著同一個方向焊接，即兩個機(jī)器人都從各自焊接焊點的左側(cè)或右側(cè)開始焊接；

（4）通過改變機(jī)器人焊點焊接順序，避免進(jìn)入干涉區(qū)域；

（5）插入“過渡點”。通過插入“過渡點”，繞開與機(jī)器人發(fā)生干涉的障礙物。

（6）設(shè)置等待時間。雙機(jī)器人同時工作時，在可能發(fā)生干涉區(qū)域中，增加某一個機(jī)器人的等待時間，當(dāng)另一個機(jī)器人在可能發(fā)生干涉的區(qū)域中運(yùn)行結(jié)束后，該機(jī)器人開始進(jìn)入干涉區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。雖然通過設(shè)置等待時間能避免機(jī)器人發(fā)生碰撞，但是增加了生產(chǎn)時間，不能高效地充分的利用機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，所以不建議采用此方法。

3 結(jié)語

通過工業(yè)機(jī)器人干涉問題的仿真分析，針對干涉發(fā)生的不同情況，提出了解決辦法：規(guī)劃焊點、調(diào)整焊接姿態(tài)、插入“過渡點”、設(shè)置等待時間等，解決了機(jī)器人與工裝器之間的碰撞和兩個機(jī)器人相互碰撞問題，最終確定機(jī)器人路徑規(guī)劃的方案，提高了實際應(yīng)用中的工作效率，保證了實際應(yīng)用的安全生產(chǎn)。