工业机器人离线编程系统关键技术的研究

ROBCAD
Teenomatix CorP，USA
编程与仿真系统。 它己在汽车行业中得到广泛的 应用，美国福特、德国大众、 意大利菲亚特等汽车公司均使 用 ROBOCAD 作为汽车生产线 机器人离线编程系统。
Robot-SIM Workspace
Calma CorP，USຫໍສະໝຸດ Baidu Robot Simulation Inc，USA 第一个商品化的基于微机的机 器人仿真与离线编程软件。
（请在以上方框内打“√” ）
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指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论
1.1 课题来源、目的和意义
1.1.1 课题来源 国家“高档数控机床及基础制造装备”科技重大专项课题：开放式全数字高档 数控装置（课题编号：2009ZX04009-011） 。 1.1.2 课题的目的和意义 工业机器人具有良好的可编程性，其编程能力决定了工业机器人功能的灵活性 和智能性 [1]。示教编程和离线编程是工业机器人的主要编程方式[1]。目前，国内外大 量工业机器人从整体上看都属于示教型工业机器人[13]。示教编程优点主要有： （1）示教过程形象直观，便于及时发现存在的问题； （2）简单易学，轻松上手，便于推广使用； （3）不存在系统重新标定的问题，所见即所得； 在实际生产应用中，示教型机器人的缺点有： （1）工业机器人的示教编程效率低，工作任务一旦改变，即使是工作任务中的 很小的改变，也要重新示教编程，难以适应当前柔性生产的需求； （2）示教的精度难以保证，示教重复性差，对于复杂路径难以得到机器人系统 的工作任务的最佳方案[25]。 离线编程能够改进示教编程的不足，具有显著的优点，并且符合机器人系统智 能化、自动化的趋势；为了满足小批量、多品种、低成本、高效率及高质量等要求， 开发离线编程系统是必然趋势[2] [4] [35]。 本课题所要研究的工业机器人离线编程关键技术，基于以下目的：
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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3
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 1-2 国内主要的机器人离线编程系统
软件 HOLPSS
开发机构 华中科技大学
备注 基于微机的机器人离线编程系 统 仿真系统可对 PUMA560 及类
ROBSM 系统
清华大学
似结构的机器人进行运动学、 动力学轨迹规划 系统采用模块化设计，具有几 何建模、运动学建模、图形示
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 1-1 国外主要的机器人离线编程系统
软件 GRASP
开发机构 University of Nottingham，UK
备注 早期的离线编程系统 编程与仿真系统，该软件可用 于机器人结构设计、工作单元 设计和离线编程，是一个界面 友好、功能较全的机器人离线
开发离线编程系统的还有机器人生产厂商，基于 Windows 操作系统的 MotoMan 机器人公司提供的 MotoSim 离线编程系统，该系统具有较好的用户操作界面。 从发展方向上看国外对离线编程与仿真技术的研究的发展方向是智能化和自动 化，用户编程越来越简单方便[39]。
1.2.2
离线编程国内研究现状 表 1-2 所示是几个国内主要的机器人离线编程系统：
关键词：工业机器人；离线编程；运动学；轨迹规划；程序转换
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
Industrial robot programming mainly includes teaching programming and off-line programming. Facing the application condition and development need of industrial robots, off-line programming is a better choice, which is paid more and more attention, and has advantages of openness, high integration, fast and accurate programming for complex tasks, etc., therefore, the research of off-line programming technique has important application value. The framework of the off-line programming system is analyzed, and the key techniques, such as algorithm of kinematics, trajectory planning in joint space and Cartesian space, program editor and auxiliary function modules are discussed. On the basis of the functional requirements of off-line programming, an off-line programming system for industrial robots is developed, the features and implementation of the basic functional modules are introduced. D-H method is used to analyze kinematics algorithm of the 6R and 5R industrial robots. To solve the problem of multiple solutions to inverse kinematics, an evaluation function is introduced, which analyzes and evaluates these solutions, and then chooses the optimal one. The methods of the robot trajectory planning in joint space and Cartesian space are introduced. To realize the trajectory planning based on time optimal, joint trajectory curve is calculated following the constraints, using the complex method to achieve approximate optimal solution. Trajectory planning based on kinetic characteristics is studied, which includes trajectory planning based on kinetic energy ratios and kinetic energy rates. Automatic programming and program translation between different languages are studied, and the program editor to achieve the main functions is developed. These key techniques, ensuring the practicality of off-line programming and openness, have high application value. Key words: Industrial robots; Off-line programming; Kinematics; Trajectory planning; Program translation
华中科技大学 硕士学位论文 工业机器人离线编程系统关键技术的研究 姓名：孟国军 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：叶伯生 2011-01-17
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要
工业机器人编程方式主要是示教编程和离线编程，面对当前机器人的应用情况 和发展需要，示教编程已经难以满足生产需求。离线编程可以克服示教编程的不足， 并受到越来越多的重视，因此研究机器人离线编程技术具有重要的应用价值。 本文分析了机器人离线编程系统的总体框架，主要研究了机器人运动学、关节 空间和笛卡尔空间的轨迹规划、程序模块和辅助功能模块等机器人离线编程关键技 术。在此基础上，针对离线编程的功能需求开发了工业机器人离线编程系统，介绍 了其各个基本功能模块的特点和实现方法。 利用 D-H 法实现了 6R 和 5R 工业机器人运动学正逆解的算法， 针对运动学逆解 存在多重解的问题，引入了评价函数，对各组解分析评价，从中选择最优的一组解， 并对运动学进行了仿真验证。 分析了机器人关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划的方法。主要研究了基于时间 最优原则的轨迹规划，通过引入约束条件，计算得到关节轨迹曲线，采用复合形法 逐步逼近最优解，实现基于时间最优原则的轨迹规划。研究了基于动能特征的机器 人轨迹规划，分别分析了基于动能比例系数的规划和基于动能变化率的规划。 研究了自动编程和程序在不同机器人语言之间的转换，开发了离线编程系统， 实现了其主要功能。这些关键技术，保证了离线编程的实用性和开放性，具有较高 的应用价值。
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
（1）研发具有离线可自动编程的工业机器人离线编程系统，进行工业机器人的 高效离线编程。自动编程模块，可以在给定的环境参数下，借助辅助手段，可以进 行系统的自动离线编程。 （2）离线编程与现有的示教编程系统有效地配合使用，可以极大的提高工作效 率，取得客观的经济效益。 （3）为了提高机器人程序的通用性和适应性，所具有的程序转换模块可以根据 不同机器人编程控制系统的已有的指令进行自我简化，甚至可以对机器人本身不具 有的曲线加工指令利用现有的指令进行小线段曲线拟合。 （4）对五轴和六轴工业机器人具有良好的适应性，适用于五轴和六轴工业机器 人应用的大部分场合，通过设定相应的参数，完成不同的任务。 （5）模块化的编程方式，整个系统具有良好的开放性，便于扩展，具有较好的 柔性。 本课题研究意义在与结合实际生产需求，开发出具有自动编程功能的编程系统， 主要意义在于： （1）根据具体的工作环境进行有效的编程作业。可以充分利用原有系统的指令 完成复杂的动作。 （2）自动编程、显著提高工作效率。 （3）模块化设计，易于诊断和维护；具有良好的柔性。
1.2 离线编程研究现状和发展方向
1.2.1 离线编程国外研究现状 国外离线编程的研究开始较早，甚至早在 70 年代末就开始了机器人离线规划和 编程系统的研究。从 80 年代以来，美国、日本、德国等大学研究机构、科研院所、 制造商对离线编程系统作了深入研究，投入大量精力，取得了丰硕成果，表 1-1 所示 是几个主要的机器人离线编程系统：