一、概述

當(dāng)前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆及打磨等領(lǐng)域，任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，而用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來越高。在這種形式下，機(jī)器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實(shí)現(xiàn)編程的自適應(yīng)性，從而提高生產(chǎn)效率，是機(jī)器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。

本文將就機(jī)器人編程技術(shù)的發(fā)展作一介紹，希望能給讀者帶來一些啟發(fā)。

二、編程技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況

對(duì)工業(yè)機(jī)器人來說，主要有三類編程方法：在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用中，手工示教仍然主宰著整個(gè)機(jī)器人焊接領(lǐng)域，離線編程適合于結(jié)構(gòu)化焊接環(huán)境，但對(duì)于軌跡復(fù)雜的三維焊縫，手工示教不但費(fèi)時(shí)而且也難以滿足焊接精度要求，因此在視覺導(dǎo)引下由計(jì)算機(jī)控制機(jī)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）在線示教編程 通常由操作人員通過示教盒控制機(jī)械手工具末端到達(dá)指定的姿態(tài)和位置，記錄機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，完成機(jī)器人在正常加工中的軌跡規(guī)劃、位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、記錄。

示教盒示教具有在線示教的優(yōu)勢，操作簡便直觀。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(jī)器人對(duì)汽車車身進(jìn)行點(diǎn)焊，首先由操作人員控制機(jī)器人達(dá)到各個(gè)焊點(diǎn)對(duì)各個(gè)點(diǎn)焊軌跡通過人工示教，在焊接過程中通過示教再現(xiàn)的方式，再現(xiàn)示教的焊接軌跡，從而實(shí)現(xiàn)車身各個(gè)位置各個(gè)焊點(diǎn)的焊接。車身機(jī)器人點(diǎn)焊過程如圖2 所示。但在焊接中車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(duì)焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。

圖1 機(jī)器人示教盒

圖2 汽車車身機(jī)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(fù)等極限環(huán)境下，操作者不能身臨現(xiàn)場，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，視覺信息不能完全地反饋現(xiàn)場的情況，采用立體視覺作為視覺反饋手段，示教周期長。激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)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傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過激光視覺傳感提取焊縫特征點(diǎn)作為示教點(diǎn)，提高了識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面曲線焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教（見圖3）。

圖3 基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng)

（3）力覺傳感輔助示教

由于視覺誤差，立體視覺示教精度低，激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無法適應(yīng)所有遙控焊接環(huán)境，如工件表面狀態(tài)對(duì)激光輔助示教有一定影響，不規(guī)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“遙控焊接力覺遙示教技術(shù)”，采用力傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行辨識(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，反應(yīng)靈敏度高，力覺傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過力覺遙示教焊縫辨識(shí)模型和自適應(yīng)控制模型，實(shí)現(xiàn)遙示教局部自適應(yīng)控制，通過共享技術(shù)和視覺臨場感實(shí)現(xiàn)人對(duì)遙控焊接遙示教宏觀全局監(jiān)控。

（4）專用工具輔助示教

為了使得機(jī)器人在三維空間示教過程更直觀，一些輔助示教工具被引入在線示教過程，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，通過光電編碼器來記錄每個(gè)關(guān)鍵的角度。操作時(shí)，由操作人員手持該設(shè)備的手腕，對(duì)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)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的加工路徑值，實(shí)現(xiàn)示教編程，操作簡便， 精度高，不需要操作者實(shí)際操作機(jī)器人，這對(duì)很多非專業(yè)的操作人員來說是非常方便的。

借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教，提高了機(jī)器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機(jī)器人加工的精度和效率，這在很多場合是非常實(shí)用的。

2. 離線編程技術(shù)

與在線編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①減少停機(jī)的時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作。

②使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境。

③使用范圍廣，可以對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程。

④便于和CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。

⑤可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程。

⑥便于修改機(jī)器人程序。

（1）編程關(guān)鍵步驟 機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，通過對(duì)工作單元進(jìn)行三維建模，在仿真環(huán)境中建立與現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的場景，采用規(guī)劃算法對(duì)圖形進(jìn)行控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)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)行離線編程的一個(gè)實(shí)例。產(chǎn)品為大眾汽車模具的一部分，需要對(duì)其表面進(jìn)行激光熔覆，由于表面較為復(fù)雜，采用人工示教方式確定路徑幾無可能，故采用離線編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機(jī)器人和模具之間的幾何位置關(guān)系，然后根據(jù)特定的工藝進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線編程仿真，確認(rèn)無誤后下載到機(jī)器人控制中執(zhí)行，實(shí)踐證明取得了較好的效果。

圖4 離線編程中的關(guān)鍵步驟

圖5 基于Roboguide的離線編程和仿真

（2）商業(yè)離線編程軟件 一般包括： 幾何建模功能、基本模型庫、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規(guī)劃功能、自動(dòng)編程功能、多機(jī)協(xié)調(diào)編程與仿真功能。

第三方離線編程（國內(nèi)）：RobotArtRobotMaster、 RobotWorks、Robomove、RobotCAD、DELMIA

機(jī)器人廠家（國外）：（ABB）RobotStudio、（發(fā)那科） RoboGuide、（庫卡）KUKA Sim 、（安川）MotoSim

可對(duì)系統(tǒng)布局進(jìn)行模擬，確認(rèn)TCP的可達(dá)性，是否干涉，也可進(jìn)行離線編程仿真，然后將離線編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機(jī)器人中執(zhí)行。

3. 自主編程技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測量傳感技術(shù)日益成熟，人們開始研究以焊縫的測量信息為反饋，由計(jì)算機(jī)控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。

（1）基于激光結(jié)構(gòu)光的自主編程 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主規(guī)劃其原理是將結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機(jī)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(biāo)，建立起焊縫軌跡數(shù)據(jù)庫，在焊接時(shí)作為焊槍的路徑。

圖6 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主編程

韓國Pyunghyun Kim 將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在 6 自由度焊接機(jī)器人末端，對(duì)結(jié)構(gòu)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(biāo)來表達(dá)焊縫的位置和方向，并與連接類型（搭接、對(duì)接、V 形）結(jié)合形成機(jī)器人焊接路徑，其中還采用了 3 次樣條函數(shù)對(duì)空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合，避免了常規(guī)的直線連接造成的誤差，如圖7所示。

圖7 傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑

（2）基于雙目視覺的自主編程 基于視覺反饋的自主示教是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑自主規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，其主要原理是：在一定條件下，由主控計(jì)算機(jī)通過視覺傳感器沿焊縫自動(dòng)跟蹤、采集并識(shí)別焊縫圖像，計(jì)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(jī)器人焊槍（Torch）的位姿參數(shù)。

（3）多傳感器信息融合自主編程 有研究人員采用力控制器，視覺傳感器以及位移傳感器構(gòu)成一個(gè)高精度自動(dòng)路徑生成系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖8所示，該系統(tǒng)集成了位移、力、視覺控制，引入視覺伺服，可以根據(jù)傳感器反饋信息來執(zhí)行動(dòng)作。該系統(tǒng)中機(jī)器人能夠根據(jù)記號(hào)筆所繪制的線自動(dòng)生成機(jī)器人路徑，位移控制器用來保持機(jī)器人TCP點(diǎn)的位姿，視覺傳感器用來使得機(jī)器人自動(dòng)跟隨曲線，力傳感器用來保持TCP點(diǎn)與工件表面距離恒定。

圖8 基于視覺、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統(tǒng)

4. 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的編程技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并互動(dòng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維物體融合到現(xiàn)實(shí)場景中，加強(qiáng)了用戶同現(xiàn)實(shí)世界的交互。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于機(jī)器人編程具有革命性意義。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬的空間信息，它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)揮了動(dòng)畫仿真的優(yōu)勢并提供了現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺(tái)虛擬的飛機(jī)清洗機(jī)器人模型被應(yīng)用于按比例縮小的飛機(jī)模型。控制虛擬的機(jī)器人針對(duì)飛機(jī)模型沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而生成機(jī)器人程序，之后對(duì)現(xiàn)實(shí)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定和編程。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)（RPAR）能夠在虛擬環(huán)境中沒有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機(jī)器人離線編程。由于能夠?qū)⑻摂M機(jī)器人添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所以當(dāng)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(biāo)定現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)編程的架構(gòu)如圖9所示，由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規(guī)劃以及路徑規(guī)劃的虛擬機(jī)器人仿真和現(xiàn)實(shí)機(jī)器人驗(yàn)證等環(huán)節(jié)組成。

圖9 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程架構(gòu)

總結(jié)：傳統(tǒng)的在線示教編程將只在很少的場合得到應(yīng)用，隨著技術(shù)的更新，后三種會(huì)慢慢增長，有的還是在技術(shù)研發(fā)期，誰先有突破，都將獲得市場。