一、概述
當前機器人廣泛應用于焊接、裝配、搬運、噴漆及打磨等領(lǐng)域，任務(wù)的復雜程度不斷增加，而用戶(hù)對產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來(lái)越高。在這種形式下，機器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實(shí)現編程的自適應性，從而提高生產(chǎn)效率，是機器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。
本文將就機器人編程技術(shù)的發(fā)展作一介紹，希望能給讀者帶來(lái)一些啟發(fā)。
二、編程技術(shù)的發(fā)展及應用情況
對工業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，主要有三類(lèi)編程方法：在線(xiàn)編程、離線(xiàn)編程以及自主編程三類(lèi)。在當前機器人的應用中，手工示教仍然主宰著(zhù)整個(gè)機器人焊接領(lǐng)域，離線(xiàn)編程適合于結構化焊接環(huán)境，但對于軌跡復雜的三維焊縫，手工示教不但費時(shí)而且也難以滿(mǎn)足焊接精度要求，因此在視覺(jué)導引下由計算機控制機器人自主示教取代手工示教已成為發(fā)展趨勢。
1. 示教編程技術(shù)
（1）在線(xiàn)示教編程 通常由操作人員通過(guò)示教盒控制機械手工具末端到達指定的姿態(tài)和位置，記錄機器人位姿數據并編寫(xiě)機器人運動(dòng)指令，完成機器人在正常加工中的軌跡規劃、位姿等關(guān)節數據信息的采集、記錄。
示教盒示教具有在線(xiàn)示教的優(yōu)勢，操作簡(jiǎn)便直觀(guān)。如圖1所示，示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如，采用機器人對汽車(chē)車(chē)身進(jìn)行點(diǎn)焊，首先由操作人員控制機器人達到各個(gè)焊點(diǎn)對各個(gè)點(diǎn)焊軌跡通過(guò)人工示教，在焊接過(guò)程中通過(guò)示教再現的方式，再現示教的焊接軌跡，從而實(shí)現車(chē)身各個(gè)位置各個(gè)焊點(diǎn)的焊接。車(chē)身機器人點(diǎn)焊過(guò)程如圖2 所示。但在焊接中車(chē)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焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。
圖1 機器人示教盒
圖2 汽車(chē)車(chē)身機器人點(diǎn)焊
（2）激光傳感輔助示教 在空間探索、水下施工、核電站修復等極限環(huán)境下，操作者不能身臨現場(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(jué)信息不能完全地反饋現場(chǎng)的情況，采用立體視覺(jué)作為視覺(jué)反饋手段，示教周期長(cháng)。激光視覺(jué)傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實(shí)時(shí)調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(jué)傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺(jué)顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過(guò)激光視覺(jué)傳感提取焊縫特征點(diǎn)作為示教點(diǎn)，提高了識別精度，實(shí)現了對平面曲線(xiàn)焊縫和復雜空間焊縫的遙控示教（見(jiàn)圖3）。
圖3 基于激光輔助示教的遙控操作系統
（3）力覺(jué)傳感輔助示教 由于視覺(jué)誤差，立體視覺(jué)示教精度低，激光視覺(jué)傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實(shí)時(shí)調整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無(wú)法適應所有遙控焊接環(huán)境，如工件表面狀態(tài)對激光輔助示教有一定影響，不規則焊縫特征點(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(jué)遙示教技術(shù)”，采用力傳感器對焊縫進(jìn)行辨識，系統結構簡(jiǎn)單，成本低，反應靈敏度高，力覺(jué)傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過(guò)力覺(jué)遙示教焊縫辨識模型和自適應控制模型，實(shí)現遙示教局部自適應控制，通過(guò)共享技術(shù)和視覺(jué)臨場(chǎng)感實(shí)現人對遙控焊接遙示教宏觀(guān)全局監控。
（4）專(zhuān)用工具輔助示教 為了使得機器人在三維空間示教過(guò)程更直觀(guān)，一些輔助示教工具被引入在線(xiàn)示教過(guò)程，輔助示教工具包括位置測量單元和姿態(tài)測量單元，分別來(lái)測量空間位置和姿態(tài)。由兩個(gè)手臂和一個(gè)手腕組成，有6個(gè)自由度，通過(guò)光電編碼器來(lái)記錄每個(gè)關(guān)鍵的角度。操作時(shí)，由操作人員手持該設備的手腕，對加工路徑進(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(guò)坐標轉換為機器人的加工路徑值，實(shí)現示教編程，操作簡(jiǎn)便， 精度高，不需要操作者實(shí)際操作機器人，這對很多非專(zhuān)業(yè)的操作人員來(lái)說(shuō)是非常方便的。
借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教，提高了機器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機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(xiàn)編程技術(shù)
與在線(xiàn)編程相比，離線(xiàn)編程具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少停機的時(shí)間，當對下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機器人可仍在生產(chǎn)線(xiàn)上工作。②使編程者遠離危險的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境。③使用范圍廣，可以對各種機器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現優(yōu)化編程。④便于和CAD/CAM 系統結合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。⑤可使用高級計算機編程語(yǔ)言對復雜任務(wù)進(jìn)行編程。⑥便于修改機器人程序。
（1）編程關(guān)鍵步驟 機器人離線(xiàn)編程是利用計算機圖形學(xué)的成果，通過(guò)對工作單元進(jìn)行三維建模，在仿真環(huán)境中建立與現實(shí)工作環(huán)境對應的場(chǎng)景，采用規劃算法對圖形進(jìn)行控制和操作，在不使用實(shí)際機器人的情況下進(jìn)行軌跡規劃，進(jìn)而產(chǎn)生機器人程序。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(xiàn)編程的一個(gè)實(shí)例。產(chǎn)品為大眾汽車(chē)模具的一部分，需要對其表面進(jìn)行激光熔覆，由于表面較為復雜，采用人工示教方式確定路徑幾無(wú)可能，故采用離線(xiàn)編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機器人和模具之間的幾何位置關(guān)系，然后根據特定的工藝進(jìn)行軌跡規劃和離線(xiàn)編程仿真，確認無(wú)誤后下載到機器人控制中執行，實(shí)踐證明取得了較好的效果。
圖4 離線(xiàn)編程中的關(guān)鍵步驟
圖5 基于Roboguide的離線(xiàn)編程和仿真
（2）商業(yè)離線(xiàn)編程軟件 一般包括: 幾何建模功能、基本模型庫、運動(dòng)學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規劃功能、自動(dòng)編程功能、多機協(xié)調編程與仿真功能。目前市場(chǎng)上常用的離線(xiàn)編程軟件有：加拿大 Robot Simualtion公司所開(kāi)發(fā)的Workspace離線(xiàn)編程軟件；以色列 Tecnomatix 公司所開(kāi)發(fā)開(kāi)的ROBCAD離線(xiàn)編程軟件；美國 Deneb Robotics 公司所開(kāi)發(fā)的IGRIP離線(xiàn)編程軟件；A B B機器人公司開(kāi)發(fā)基于 Windows 操作系統的RobotStudio離線(xiàn)編程軟件。
此外日本安川公司開(kāi)發(fā)了MotoSim離線(xiàn)編程軟件，FANUC公司開(kāi)發(fā)了Roboguide離線(xiàn)編程軟件，可對系統布局進(jìn)行模擬，確認TCP的可達性，是否干涉，也可進(jìn)行離線(xiàn)編程仿真，然后將離線(xiàn)編程的程序仿真確認后下載到機器人中執行。
（3）現有離線(xiàn)編程軟件與當前需求的差距 由于離線(xiàn)編程不占用機器人在線(xiàn)時(shí)間，提高了設備利用率，同時(shí)離線(xiàn)編程技術(shù)本身是CAD / CAM一體化的組成部分，可以直接利用CAD數據庫的信息，大大減少了編程時(shí)間，這對于復雜任務(wù)是非常有用的。
但由于目前商業(yè)化的離線(xiàn)編程軟件成本較高，使用復雜，所以對于中小型機器人企業(yè)用戶(hù)而言，軟件的性?xún)r(jià)比不高。
另外，目前市場(chǎng)上的離線(xiàn)編程軟件還沒(méi)有一款能夠完全覆蓋離線(xiàn)編程的所有流程，而是幾個(gè)環(huán)節獨立存在。對于復雜結構的弧焊，離線(xiàn)編程環(huán)節中的路徑標簽建立、軌跡規劃、工藝規劃是非常繁雜耗時(shí)的。擁有數百條焊縫的車(chē)身要創(chuàng )建路徑標簽，為了保證位置精度和合適的姿態(tài)，操作人員可能要花費數周的時(shí)間。盡管像碰撞檢測、布局規劃和耗時(shí)統計等功能已包含在路徑規劃和工藝規劃中，但到目前為止，還沒(méi)有離線(xiàn)編程軟件能夠提供真正意義上的軌跡規劃，而工藝規劃則依賴(lài)于編程人員的工藝知識和經(jīng)驗。
3. 自主編程技術(shù)
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測量傳感技術(shù)日益成熟，人們開(kāi)始研究以焊縫的測量信息為反饋，由計算機控制焊接機器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。
（1）基于激光結構光的自主編程 基于結構光的路徑自主規劃其原理是將結構光傳感器安裝在機器人的末端，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)測量焊縫的中心坐標，建立起焊縫軌跡數據庫，在焊接時(shí)作為焊槍的路徑。
圖6 基于結構光的路徑自主編程
韓國Pyunghyun Kim 將線(xiàn)結構光視覺(jué)傳感器安裝在 6 自由度焊接機器人末端，對結構化環(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)的坐標來(lái)表達焊縫的位置和方向，并與連接類(lèi)型（搭接、對接、V 形）結合形成機器人焊接路徑，其中還采用了 3 次樣條函數對空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合，避免了常規的直線(xiàn)連接造成的誤差，如圖7所示。
圖7 傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑
?。?）基于雙目視覺(jué)的自主編程 基于視覺(jué)反饋的自主示教是實(shí)現機器人路徑自主規劃的關(guān)鍵技術(shù)，其主要原理是：在一定條件下，由主控計算機通過(guò)視覺(jué)傳感器沿焊縫自動(dòng)跟蹤、采集并識別焊縫圖像，計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)生成機器人焊槍(Torch)的位姿參數。
（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(jué)傳感器以及位移傳感器構成一個(gè)高精度自動(dòng)路徑生成系統。系統配置如圖8所示，該系統集成了位移、力、視覺(jué)控制，引入視覺(jué)伺服，可以根據傳感器反饋信息來(lái)執行動(dòng)作。該系統中機器人能夠根據記號筆所繪制的線(xiàn)自動(dòng)生成機器人路徑，位移控制器用來(lái)保持機器人T C P點(diǎn)的位姿，視覺(jué)傳感器用來(lái)使得機器人自動(dòng)跟隨曲線(xiàn)，力傳感器用來(lái)保持TCP點(diǎn)與工件表面距離恒定。
圖8 基于視覺(jué)、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統
4. 基于增強現實(shí)的編程技術(shù)
增強現實(shí)技術(shù)源于虛擬現實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)地計算攝像機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實(shí)世界并互動(dòng)，增強現實(shí)技術(shù)使得計算機產(chǎn)生的三維物體融合到現實(shí)場(chǎng)景中，加強了用戶(hù)同現實(shí)世界的交互。將增強現實(shí)技術(shù)用于機器人編程具有革命性意義。
增強現實(shí)技術(shù)融合了真實(shí)的現實(shí)環(huán)境和虛擬的空間信息，它在現實(shí)環(huán)境中發(fā)揮了動(dòng)畫(huà)仿真的優(yōu)勢并提供了現實(shí)環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺虛擬的飛機清洗機器人模型被應用于按比例縮小的飛機模型?？刂铺摂M的機器人針對飛機模型沿著(zhù)一定的軌跡運動(dòng)，進(jìn)而生成機器人程序，之后對現實(shí)機器人進(jìn)行標定和編程。
基于增強現實(shí)的機器人編程技術(shù)（RPAR）能夠在虛擬環(huán)境中沒(méi)有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機器人離線(xiàn)編程。由于能夠將虛擬機器人添加到現實(shí)環(huán)境中，所以當需要原位接近的時(shí)候該技術(shù)是一種非常有效的手段，這樣能夠避免在標定現實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強現實(shí)編程的架構如圖9所示，由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規劃以及路徑規劃的虛擬機器人仿真和現實(shí)機器人驗證等環(huán)節組成。
圖9 基于增強現實(shí)的機器人編程架構
基于增強現實(shí)的機器人編程技術(shù)能夠發(fā)揮離線(xiàn)編程技術(shù)的內在優(yōu)勢，比如減少機器人的停機時(shí)間，安全性性好，操作便利等。由于基于增強現實(shí)的機器人編程技術(shù)采用的策略是路徑免碰撞、接近程度可縮放，所以該技術(shù)可以用于大型機器人的編程，而在線(xiàn)編程技術(shù)則難以做到。
三、編程技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著(zhù)視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，智能控制，網(wǎng)絡(luò )和信息技術(shù)以及大數據等技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的機器人編程技術(shù)將會(huì )發(fā)生根本的變革， 主要表現在以下幾個(gè)方面：①編程將會(huì )變得簡(jiǎn)單、快速、可視、模擬和仿真立等可見(jiàn)。②基于視覺(jué)、傳感，信息和大數據技術(shù)，感知、辨識、重構環(huán)境和工件等的CAD模型，自動(dòng)獲取加工路徑的幾何信息。③基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現編程的網(wǎng)絡(luò )化、遠程化、可視化。④基于增強現實(shí)技術(shù)實(shí)現離線(xiàn)編程和真實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)。⑤根據離線(xiàn)編程技術(shù)和現場(chǎng)獲取的幾何信息自主規劃加工路徑、焊接參數并進(jìn)行仿真確認。
總之，在不遠的將來(lái)，傳統的在線(xiàn)示教編程將只在很少的場(chǎng)合得到應用，比如空間探索、水下、核電等，而離線(xiàn)編程技術(shù)將會(huì )得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD /CAM、視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、大數據、增強現實(shí)等技術(shù)深度融合，自動(dòng)感知、辨識和重構工件和加工路徑等，實(shí)現路徑的自主規劃，自動(dòng)糾偏和自適應環(huán)境。
四、結語(yǔ)
?。?）在線(xiàn)編程方式簡(jiǎn)單易學(xué)，適合應用于復雜度低、工件幾何形狀簡(jiǎn)單的場(chǎng)合；離線(xiàn)編程方式適合加工任務(wù)復雜的場(chǎng)合，比如復雜的空間曲線(xiàn)、曲面等；而自主編程或輔助示教則大大提高了機器人的適應性，代表了編程技術(shù)的發(fā)展趨勢。
?。?）在未來(lái)，離線(xiàn)編程技術(shù)將會(huì )得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD / CAM、視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、大數據、增強現實(shí)等技術(shù)深度融合，自動(dòng)感知、辨識和重構工件和加工路徑等，實(shí)現路徑的自主規劃，自動(dòng)糾偏和自適應環(huán)境。
作者簡(jiǎn)介： 作者簡(jiǎn)介： 張軻，朱曉鵬，上海交通大學(xué)；謝妤，滬東中華造船（集團）有限公司。
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