工業(yè)機(jī)器人離線編程及無(wú)碰撞路徑規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)研究

1、工業(yè)機(jī)器人離線編程及無(wú)碰撞路徑規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)研究趙葛霄鄒仁海陳廣成姚正培廣東工業(yè)大學(xué)FMC中心,廣東廣州510643摘要:基于柔性制造單元中的IRB3400型工業(yè)機(jī)器人,開發(fā)了離線編程和無(wú)碰撞路徑規(guī)劃的軟件系統(tǒng)。軟件應(yīng)用后,可提高編程效率及有效防止碰撞的發(fā)生。關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人;離線編程;路徑規(guī)劃中圖分類號(hào):TH24212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-2265(200006-0015-02Development and research for the system ofoff2line programming and collision2free path planningZhao G

2、exiaoZ ou RenhaiChen GuangchengYao ZhengpeiAbstract:Based on the industrial robot IRB3400in FMC,a software s ystem of off2line programming and collision2free path plan2 ning is worked out.The efficiency of programming can increase and the collision of robot can avoid effectively when the system is u

3、sed.K ey w ords:industrial robot;off2line programming;path planning1前言隨著機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大深入,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。在機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)中,機(jī)器人任務(wù)編程是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。早期機(jī)器人任務(wù)程序主要是以在線示教方式編制的,這種方式有兩個(gè)缺點(diǎn),一是影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,因?yàn)榫幊虝r(shí)必須中斷機(jī)器人的運(yùn)行,而這在柔性制造系統(tǒng)或集成制造環(huán)境中是不允許的;二是以在線示教方式編制機(jī)器人程序,由于人為錯(cuò)誤,機(jī)器人運(yùn)行時(shí)可能與環(huán)境設(shè)備相碰撞,從而造成損失。為了克服上述缺點(diǎn),一般通用的工業(yè)機(jī)器人均設(shè)有離線編程接口

4、,離線編制的機(jī)器人程序可以通過此接口裝入機(jī)器人控制器。離線編程的優(yōu)點(diǎn)在于其有極大的靈活性,良好的安全性和較低的成本。而機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程,一個(gè)最重要的問題是要預(yù)見性地檢測(cè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中是否與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。近幾年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,使生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高,將計(jì)算機(jī)與機(jī)器人任務(wù)編程和路徑規(guī)劃結(jié)合起來(lái),提供一個(gè)使用方便、性能優(yōu)越的工作系統(tǒng),具有很大的實(shí)用意義。本文基于廣東工業(yè)大學(xué)FMC中心柔性制造單元的作業(yè)環(huán)境,以IRB3400型工業(yè)機(jī)器人為對(duì)象,開發(fā)設(shè)計(jì)了一套離線編程和無(wú)碰撞路徑規(guī)劃的軟件系統(tǒng)。2IRB3400型工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介IRB3400系列機(jī)器人是瑞典ABB公司90年

5、代的產(chǎn)品1。根據(jù)手腕活動(dòng)距離和夾持重量,分為三種規(guī)格,本系統(tǒng)使用的為IRB3400/1195230型,即機(jī)器人手腕中心與基座中心最大活動(dòng)距離為1195米,最大夾持重量為30公斤,外形如圖1。該機(jī)器人共有六個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,在柔性制造單元中負(fù)責(zé)加工機(jī)床的裝料和卸料。該柔性制造單元的加工設(shè)備由一臺(tái)車削中心和一臺(tái)立式加工中心組成,采用直線方式布置,機(jī)器人可在導(dǎo)軌上行走,因此,系統(tǒng)中的機(jī)器人多了一個(gè)行走自由度。柔性制造單元示意圖如圖2。3離線編程系統(tǒng)IRB3400型機(jī)器人的編程采用機(jī)器人任務(wù)編程語(yǔ)言RAPID2。該語(yǔ)言具有一般計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn),可讀性很強(qiáng),語(yǔ)句包含了機(jī)器人工作過程的所有狀態(tài),具有邏輯判

6、斷、循環(huán)等功能。該語(yǔ)言還有許多內(nèi)部函數(shù)供選擇,也可以將機(jī)器人經(jīng)常重復(fù)進(jìn)行的一些動(dòng)作編制成子程序供以后調(diào)用。在本系統(tǒng)中,離線編程方式有兩種:(1普通編程該方法與示教盒上的編程方式基本相同。將編程語(yǔ)言中的所有語(yǔ)句和函數(shù)分類并在編程界面中即時(shí)顯示,編程過程中用到某個(gè)語(yǔ)句時(shí),先進(jìn)512000年第6期 圖1IRB3400 型機(jī)器人外形圖2柔性制造單元示意圖圖3離線編程快速規(guī)劃窗口(下轉(zhuǎn)第49頁(yè)行參數(shù)設(shè)置,然后再將該語(yǔ)句加入到程序中。當(dāng)然,這種方式也可以逐字輸入程序。(2快速規(guī)劃由于在固定的制造系統(tǒng)中,機(jī)器人的工作大多數(shù)是重復(fù)進(jìn)行的。尤其在柔性制造單元中,機(jī)床、進(jìn)出料站、暫存站等的位置固定,因此,可以將這

7、些多次重復(fù)的程序事先制作成程序塊,在編程的時(shí)候?qū)λ鼈冞M(jìn)行“裝配”,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序快速規(guī)劃。本系統(tǒng)開發(fā)的快速規(guī)劃界面如圖3。4無(wú)碰撞路徑規(guī)劃411坐標(biāo)系及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立系統(tǒng)采用的坐標(biāo)系在兩個(gè),一是以機(jī)器人在導(dǎo)軌上的Home 位置為原點(diǎn)的世界坐標(biāo)系,另一是以機(jī)器人基座中心為原點(diǎn)的基座坐標(biāo)系,兩坐標(biāo)系均為直角坐標(biāo)系,根據(jù)機(jī)器人在導(dǎo)軌上的位置可以建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。本系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)文件共有三個(gè):Datal.txt 存儲(chǔ)進(jìn)料站各工位、機(jī)床夾具中心以及出料站工位等的坐標(biāo)參數(shù);Data2.txt 存儲(chǔ)周圍環(huán)境及各工作機(jī)構(gòu)上特征點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù),例如,進(jìn)出料站外形,機(jī)床外殼、工作臺(tái)及其配套機(jī)構(gòu),地面、墻

8、壁和天花板的特征參數(shù)等;Data3.txt 存儲(chǔ)基于基座坐標(biāo)的各參數(shù),例如,隨機(jī)器人一起移動(dòng)的各暫存站工位,機(jī)器人機(jī)身上各特征點(diǎn)的參數(shù)、機(jī)器人夾具參數(shù)等。數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)是對(duì)機(jī)器人程序進(jìn)行檢驗(yàn)的依據(jù),在硬件及作業(yè)環(huán)境改變時(shí)可以進(jìn)行修改、增加或刪除。412碰撞檢測(cè)機(jī)器人無(wú)碰撞路徑規(guī)劃有多種方法,比如投影法3、公共面法等4。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn),但復(fù)雜程度較高,難以投入實(shí)際應(yīng)用。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上,采用一種簡(jiǎn)便但又能滿足本系統(tǒng)精度要求的方法。該方法首先將作業(yè)環(huán)境中的障礙物抽象為簡(jiǎn)單的凸多面體或凹多面體,然后對(duì)一些復(fù)雜的設(shè)備,再加設(shè)一些特征點(diǎn)、線或面。比如車床,先簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的凹面體,再將卡盤

9、、刀庫(kù)盤簡(jiǎn)化為圓柱體,頂尖簡(jiǎn)化為基本圓柱體及特征點(diǎn),床身上的突出部位用特征點(diǎn)表示。作業(yè)環(huán)境中的其它對(duì)象則比較簡(jiǎn)單,比如進(jìn)料站、出料站簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體,地面、墻壁和天花板簡(jiǎn)化為平面等,對(duì)難以表達(dá)的對(duì)象則選取特征點(diǎn)進(jìn)行描述。對(duì)于機(jī)器人,由于在固定軌道上行走,腰及底座不考慮碰撞問題,機(jī)器人的手即夾具部分,選取周邊八個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn),大臂和小臂則簡(jiǎn)化為圓柱體。碰撞檢測(cè)時(shí)根據(jù)程序的每一步運(yùn)行,檢驗(yàn)機(jī)器人各部分是否與作業(yè)環(huán)境中的對(duì)象發(fā)生碰撞,如果有碰撞發(fā)生,則中斷程序運(yùn)行,并給出碰撞對(duì)象、機(jī)器人碰撞的部位、程序中產(chǎn)生碰撞的語(yǔ)句等信息。編程人員根據(jù)這些信息對(duì)程序進(jìn)行檢查和修改后,再重新進(jìn)行檢驗(yàn)。由于柔性制造單元的

10、作業(yè)環(huán)境相對(duì)固定,機(jī)器人的操作重復(fù)性大,因此,這種碰撞檢測(cè)方法基本上可滿足要求。413仿真系統(tǒng)61組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)正確的解決方法是:頂根距法和雙棒量法配合使用,可以有效地避免潛磨小與擺線輪和針齒的干涉現(xiàn)象。解決這三種不良現(xiàn)象的根本方法,是研究發(fā)明出一種能自動(dòng)檢測(cè)修磨效果的儀器,可以在修磨擺線輪過程中隨時(shí)檢測(cè),這樣才能有效地保證加工質(zhì)量。4結(jié)束語(yǔ)在修磨擺線輪的過程中,可能會(huì)出現(xiàn)擺線輪磨小、修磨后的擺線輪不能正確安裝和潛磨小等現(xiàn)象,通過本文的分析可以看出,從加工和檢測(cè)兩方面入手,可以在現(xiàn)場(chǎng)比較好地避免不良現(xiàn)象的發(fā)生。擺線輪修磨的質(zhì)量和整機(jī)的承載能力有很大的關(guān)系,這可以從實(shí)際機(jī)型的受力分析結(jié)

11、果看出,因此,有效地保證按優(yōu)選的修形量產(chǎn)生擺線輪齒廓,決定著整機(jī)的承載能力,必須給予足夠的重視。參考文獻(xiàn)道學(xué)院學(xué)報(bào).1992(12關(guān)天民,趙巖1擺線針輪行星傳動(dòng)齒面接觸力的精確計(jì)算方法.面向21世紀(jì)的工程設(shè)計(jì),人民交通出版社,1998(53B H 庫(kù)特略夫采夫,江耕華、顧永壽譯1齒輪減速器的結(jié)構(gòu)與計(jì)算1上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,19824Y Zhang ,Z Wu.Offset face gear driver tooth geometry andcontact analysis.Transaction of the ASME ,1993,119(35D G Lewicki ,R Ballar

12、ini.E ffect of rim thickness on gearcract propagation path.Transaction of the ASME ,1997,119(3收稿日期:2000-04-03作者簡(jiǎn)介:關(guān)天民(1963-,男,河南襄城人,大連鐵道學(xué)院副教授,碩士。(編輯王謙和(上接第16頁(yè) 圖4集成系統(tǒng)功能示意圖本文采用Visual Basic 語(yǔ)言,在Windows 98環(huán)境下,建立了機(jī)器人運(yùn)行仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)模擬柔性制造單元的運(yùn)行狀況,用動(dòng)畫方式表現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行過程。事實(shí)上,在本系統(tǒng)中,碰撞檢測(cè)和運(yùn)行仿真是同時(shí)進(jìn)行的,碰撞時(shí)提示的信息也是在仿真界面上給出的。機(jī)

13、器人程序編制完成后,經(jīng)過編譯,在此系統(tǒng)中進(jìn)行仿真,經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)任務(wù)程序正確且無(wú)碰撞后,再通過離線編程接口將程序裝入機(jī)器人控制器實(shí)際運(yùn)行。5系統(tǒng)集成為了使用方便,本文將上述各功能進(jìn)行了集成。集成系統(tǒng)包含了程序編制、碰撞檢測(cè)及運(yùn)行仿真的全過程,并根據(jù)需要增加了若干輔助功能。集成系統(tǒng)功能示意圖如圖4。6結(jié)論為適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的要求,制造業(yè)正在向多品種、小批量的柔性化方向發(fā)展,而在柔性制造系統(tǒng)中占有重要地位的工業(yè)機(jī)器人,要完成自己的職責(zé),也必須賦于柔性,這就要求機(jī)器人能夠高效、安全地實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)程序的變換。要實(shí)現(xiàn)這一目的,路徑規(guī)劃、程序編制以及碰撞檢測(cè)等大量工作都必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù),在柔性制造單元中實(shí)現(xiàn)了上述過程。所開發(fā)的系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)合緊密,使用簡(jiǎn)便,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。參考文獻(xiàn)1Product Manual IRB3400,ABB Robotics Products.Articlenumber :3HAB 0009-37,Issue :M94A.Sweden ,19942User s Guide IRB3400,ABB Robotics Pro