趙為鑫 張文超 王明偉 王晨曦 姜翰 李達(dá)

（①大連工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 大連 116034；②科斯特數(shù)字化智能科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518101）

隨著工業(yè)化不斷推進(jìn)，高質(zhì)量、高效率和低能耗的生產(chǎn)成為企業(yè)追求效率的指標(biāo)，制造行業(yè)由低附加值向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變[1]。工業(yè)機器人逐漸取代傳統(tǒng)手工加工，并廣泛地應(yīng)用在加工、制造及搬運過程中，依照加工工藝編寫機器人程序[2]。

機器人編程的過程中，需要考慮機器人抓取的精準(zhǔn)性和設(shè)備間的干涉等問題；機器人末端的運動速度和姿態(tài)測試，保證機器人運轉(zhuǎn)的安全性和穩(wěn)定性。機器人的編程方式主要有兩種，傳統(tǒng)現(xiàn)場示教和基于計算機軟件的離線編程[3]。傳統(tǒng)示教方式是調(diào)試人員在現(xiàn)場按照工藝要求，通過示教器操縱機器人末端執(zhí)行器移動到指定的位置。該方法較為簡單，且容易上手，但在編程過程中受工作環(huán)境影響較大，既要考慮機器之間的干涉問題，也要保證人員的安全性問題[4]。

基于計算機軟件的離線編程主要借助于仿真軟件搭建三維空間環(huán)境，對機器人的軌跡和路徑點設(shè)計，分析選取較優(yōu)的姿態(tài)，避免了機器人的干涉和奇點問題。近些年來，離線編程軟件逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，孟靜靜[5]等人，利用ABB機器人廠商提供的RobotStudio，搭建智能包裝生產(chǎn)線，優(yōu)化控制系統(tǒng)。Dai H[6]等人在Delmia軟件對白車身焊接過程仿真分析，驗證焊接工藝的可行性。陳快[7]等人基于發(fā)那科機器人的Roboguide軟件實現(xiàn)了工作站的抓取、加工和去毛刺等工藝流程。以上的研究僅設(shè)計機器人的離線程序，尚未考慮機器人運行軌跡的位姿狀態(tài)；當(dāng)多機器人相互工作時，系統(tǒng)兼容性不高。

機器人抓取任務(wù)是機器人常見作業(yè)。在抓取過程中，編程人員既要考慮機器人合理避讓設(shè)備，也要考慮運行軌跡和位姿狀態(tài)，增加了編程難度。本文以IRB1200型機器人為例，首先根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)建立運動學(xué)模型；其次，完成抓取過程的工藝分析和運動分析；再次，搭建仿真空間，以TCP速度為優(yōu)化目標(biāo)，對運動狀態(tài)和位姿優(yōu)化；最后，進(jìn)行抓取驗證，通過優(yōu)化前后的位姿驗證優(yōu)化的適用性。

1 機器人運動學(xué)模型

機器人離線編程中，對機器人運動學(xué)分析，判斷機器人的工作范圍和關(guān)節(jié)連桿的角度值，避免機器人由于位置不可達(dá)、關(guān)節(jié)奇異性等問題，導(dǎo)致機器人不能按照預(yù)期的程序運行[8]。本文采用IRB1200型機器人，該機器人廣泛應(yīng)用于機械制造、物料處理、機床上下料、拋光和涂膠等方面[9]。其具體空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 機器人的正運動學(xué)分析

機器人末端位置和姿態(tài)是由前端各關(guān)節(jié)的姿態(tài)經(jīng)過鏈?zhǔn)椒▌t變換得到的，其中前一坐標(biāo)系i-1到相鄰下一坐標(biāo)系i之間的變換關(guān)系[10]，滿足

因此，機器人末端工具相對于基座的變換矩陣即為機器人正運動學(xué)方程，根據(jù)各關(guān)節(jié)參數(shù)，即可分析出末端機構(gòu)的位置姿態(tài)。

1.2 機器人的逆運動學(xué)分析

機器人的逆運動學(xué)在已知末端的位姿矩陣，求解滿足各關(guān)節(jié)要求的角度值，實現(xiàn)機器人的精準(zhǔn)控制[11]。其中，機器人的1、2、3軸主要作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，4、5、6軸主要負(fù)責(zé)機械臂末端的移動。所以，根據(jù)機器人正運動學(xué)方程（2）同時左乘01T-1,可得

根據(jù)式（3）依次類推，即可求解個關(guān)節(jié)角。

對于求解出的6個關(guān)節(jié)角，并不是所有的值都滿足機器人的結(jié)構(gòu)要求。根據(jù)公式（3）知，不同的角度值可能會有相同的位姿，因此機器人始末位置的位姿與機器人的各關(guān)節(jié)角度有密切關(guān)系，合理選擇角度值以優(yōu)化機器人運動軌跡。

2 機器人工藝和運動分析

2.1 工藝分析

零件的加工工藝主要是將圓柱棒車削成階梯軸狀，加工前后的零件如圖2所示，半徑為4 mm、高度為12 mm、材質(zhì)為鑄鐵，加工具體布局如圖3所示。

圖2 零件圖

圖3 布局圖

本文以零件的加工為例，由原材料處C、成品處D、機器人抓取A和數(shù)控車床B構(gòu)成該加工工位。其中原材料處和成品處分別存放加工前后的零件；機器人抓取負(fù)責(zé)零件上下料；數(shù)控車床完成零件的加工和車削。機器人將加工后的零件放置成品處，回到初始位置，等待下一次命令循環(huán)工作。具體生產(chǎn)流程和機器人運行軌跡見表1。機器人在抓取任務(wù)中，要考慮到達(dá)各位置點的姿態(tài)，在保證位置可達(dá)的前提下不能超過機器人關(guān)節(jié)限制，避免機器人本體發(fā)生損傷；合理地安排機器人運動軌跡，優(yōu)化運動路徑，提高生產(chǎn)效率。

表1 零件加工工藝

2.2 機器人運動分析

機器人抓取任務(wù)是機器人本體帶動末端機構(gòu)從某一位置點，按照一定的軌跡運動到下一位置點，機器人各關(guān)節(jié)角度值發(fā)生變化。如圖4所示，機器人由A點經(jīng)過B點向C點運動時有兩種方式，線路一為關(guān)節(jié)運動，機器人末端執(zhí)行機構(gòu)劃過的軌跡大致為圓弧形。線路二為線性運動，機器人末端機構(gòu)按照直線軌跡嚴(yán)格執(zhí)行[12]。

圖4 機器人軌跡

合理地規(guī)劃機器人離線程序，需要對機器人的運行方式分析和測試，提高機器人的工作效率。其中，根據(jù)機器人正運動學(xué)方程（2）可得，由于關(guān)節(jié)運動重點在于起始位置和中間點，對中間過程點要求較低。所以滿足B、C兩點要求的前提下，機器人可以選擇更多的姿態(tài)和過渡點，不易出現(xiàn)死點現(xiàn)象。機器人按照關(guān)節(jié)運動時，末端擺過的軌跡為弧形，主要以1、2、3軸的轉(zhuǎn)動為主。機器人前3軸具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，可以較快的速度運行至目標(biāo)點。但由于較大的轉(zhuǎn)動慣量使機器人運動狀態(tài)不完全可控，劃過的軌跡明顯，運行幅度過大，所以需要更大的空間范圍滿足軌跡要求。

線性運動更注重運行過程中的軌跡，嚴(yán)格按照直線的方式運動。根據(jù)逆運動學(xué)方程（3）值，滿足所有路徑點的解的數(shù)量的前提下，可能出現(xiàn)無解或者死點現(xiàn)象，導(dǎo)致機器人無法順利運行。受限于解的數(shù)目，在滿足所有關(guān)節(jié)角度值的情況下，機器人要轉(zhuǎn)過指定的姿態(tài)導(dǎo)致運行速度降低。但直線相比于圓弧，距離上會有所減少，在運行時間上可能縮短。線性運動主要依靠4、5、6軸轉(zhuǎn)動，機器人擺動幅度較少，運動路徑唯一。抓取過程中，要求機器人運動平穩(wěn)，避免帶來不規(guī)則震動對零件的傷害；精準(zhǔn)，確保機器人完成設(shè)定的工序。對機器人合理地規(guī)劃軌跡，可以提升工作效率的同時，延長機器人的使用壽命。

3 基于Tecnomatix的機器人離線編程

Tecnomatix是西門子提供的數(shù)字化仿真平臺，在仿真環(huán)境中對機器人上下料路徑點的選取、優(yōu)化、分析，可以快速完成機器人離線編程，避免機器人與數(shù)控車床之間發(fā)生的碰撞問題，縮短了機器人調(diào)試周期[13]。

3.1 仿真空間的搭建

基于Tecnomatix搭建三維仿真環(huán)境的具體步驟如下；

（1）三維模型的導(dǎo)入：在創(chuàng)建三維仿真環(huán)境時，需要將三維模型導(dǎo)入到Tecnomatix中，在虛擬環(huán)境中完成產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝仿真，提高了設(shè)計人員的可視化。本文主要三維模型為工業(yè)機器人、數(shù)控車床、原材料處和成品處，創(chuàng)建虛擬樣機。

（2）組件定義：導(dǎo)入的三維模型通過Tecnomatix中的組件定義，賦予具體職能并實現(xiàn)相關(guān)功能，各組件功能定義如表2所示。

表2 組件定義

（3）工具安裝：機器人第六軸為法蘭盤軸，在執(zhí)行包裝、搬運和碼垛等工藝主要依靠的就是第六軸安裝的工具。如圖5所示，將抓手安裝在機器人上，實現(xiàn)零件抓取和運輸?shù)墓δ堋?/p>

圖5 機器人末端工具安裝

（4）系統(tǒng)布局：完成上述的準(zhǔn)備工作后，完成設(shè)備布置，放置數(shù)控車床和機器人，最后完成仿真空間的布局，如圖6所示。

圖6 仿真空間的搭建

3.2 TCP速度分析

由第二章知，機器人運行方式主要分為關(guān)節(jié)運動和線性運動，基于機器人的運動學(xué)分析可以對機器人運行方式和路徑規(guī)劃，但由于機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，此方法難度較大。利用Tecnomatix的機器人Motion Type功能可以修改機器人的運行方式，觀察不同方式機器人的運行速度變化曲線。TCP速度決定機器人實際速度和生產(chǎn)節(jié)拍，分析不同路徑的TCP速度的波動曲線，以選取適合機器人工況的運動方式。以工序4零件放置為例，該工序需要機器人穿過數(shù)控車床門運行至機床三爪卡盤位置，其中機器人的運動范圍受限制，同時避免與機床的碰撞。以該工序為例，得到TCP速度曲線如圖7所示。其中線路一為關(guān)節(jié)運動方式，線路二為線性運動。

圖7 不同運行軌跡下TCP速度曲線

通過圖7可以看出：線性運動時，機器人運動速度更大，最大值為613.55 mm/s，且速度曲線波峰較為尖銳，可能導(dǎo)致機器人出現(xiàn)死點位置。但由于運行速度較大，末端位置相同的前提下率先達(dá)到。因為運動路徑保持唯一，機器人擺動幅度較小，常用于在機器人工作狀態(tài)下移動；關(guān)節(jié)運動時，機器人的速度較慢，最大值為424.65 mm/s，波峰處相比于直線運動較圓滑，但運行軌跡狀態(tài)不完全可控，在狹小之處可能發(fā)生碰撞現(xiàn)象，常用于機器人在空間內(nèi)大范圍移動。

該段路徑因機器人穿過數(shù)控車床，所以工作范圍受限制，在保證效率的同時也要考慮機器人的干涉問題，選取線性運動方式可以有效地避讓機床內(nèi)部機構(gòu)，避免發(fā)生碰撞問題。由于機器人末端機構(gòu)按線性方式運行，在放置零件時，定位更為精準(zhǔn)。

綜上，關(guān)節(jié)運動運動范圍較大，常用于大范圍的搬運，例如碼垛、搬運等，由于運行速度平穩(wěn)的原因，保證了抓取過程中的穩(wěn)定性。線性運行的軌跡精確性，常用于連續(xù)路徑工作，如噴涂、切割等，確保運動軌跡的逼近，以及狹小空間內(nèi)抓取和放置工作。

3.3 路徑規(guī)劃與示教

根據(jù)機器人逆運動學(xué)分析，已知末端姿態(tài)時，機器人各關(guān)節(jié)角度有8組解，其中某些解不滿足機器人的關(guān)節(jié)角度限制。為避免發(fā)生死點現(xiàn)象，對軌跡點示教分析，以確保每個位置點都可達(dá)。根據(jù)具體加工工藝以及布局圖，對各軌跡點的位姿示教，關(guān)節(jié)角度值如表3所示。各關(guān)節(jié)角度滿足機器人關(guān)節(jié)限制，且位姿滿足工藝要求。其中A-C、C-等待位、等待位-B、B-D、D-A段采用關(guān)節(jié)運動，較低的速度下延長機器人的使用壽命；B與等待位之間由于空間狹小，采用線性運動，避免設(shè)備發(fā)生碰撞等問題。

表3 機器人軌跡點各關(guān)節(jié)角

4 實驗驗證

根據(jù)具體工藝分析，在仿真空間內(nèi)選擇上述的路徑點和運動方式，編寫機器人離線程序，對比優(yōu)化前后的TCP運行速度。如圖8所示，在相同路徑下，優(yōu)化后的瞬時速度大于優(yōu)化前的瞬時速度，機器人可以更快到達(dá)指定點。由于在狹小空間采用了線性運動，杜絕機器人發(fā)生干涉或者碰撞等問題。同時，在運行過程中選用關(guān)節(jié)運動，在保證速度的同時，避免機器人在運行過程中發(fā)生死點、位置不可達(dá)問題。優(yōu)化后，機器人運行時間從40.8 s縮短到37.1 s，縮短了約10 %。在滿足工藝的前提下，減少了關(guān)節(jié)磨損，增加了運動的平穩(wěn)性，在時間利用和能耗上有較好的表現(xiàn)。

圖8 優(yōu)化前后速度對比圖

編寫好機器人離線程序，在仿真空間運行無誤后，可將程序?qū)肷a(chǎn)線中真實的機器人示教器中。如圖9所示，由于安裝誤差和設(shè)備制造誤差的存在，不能保證完全按照仿真環(huán)境一比一還原，所以還需要對創(chuàng)建的機器人程序進(jìn)行測試，達(dá)到最優(yōu)的效果，滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)現(xiàn)場測試后，優(yōu)化后的軌跡較為圓滑，在滿足預(yù)期要求的前提下，未發(fā)生死點或干涉現(xiàn)象，由此證明了優(yōu)化的正確性。

圖9 機器人設(shè)備現(xiàn)場布局

5 結(jié)語

為提升抓取過程中機器人的效率，本文以IRB1200型機器人為研究對象，提出基于位姿的離線編程優(yōu)化方法。

（1）根據(jù)機器人各關(guān)節(jié)角度關(guān)系，以及正逆運動方程，搭建運動學(xué)模型。

（2）完成加工工藝和速度分析，在不同運動狀態(tài)下機器人運行方式和使用場景，優(yōu)化機器人程序。

（3）結(jié)合Tecnomatix建立機器人仿真系統(tǒng)，搭建仿真環(huán)境，對比不同運行狀態(tài)下TCP速度，完成路徑點的示教，驗證優(yōu)化后程序的有效性；經(jīng)驗證表明，機器人抓取任務(wù)可節(jié)約10 %左右的時間。

工業(yè)機器人工作效率是決定生產(chǎn)加工的重要影響因素。未來需對不同軌跡下對機器人能耗進(jìn)行分析，進(jìn)一步降低機器人能耗，提升生產(chǎn)效率。在滿足生產(chǎn)要求的前提下，對企業(yè)生產(chǎn)成本的降低具有重要意義，該優(yōu)化方式可以廣泛應(yīng)用于制造加工領(lǐng)域。