通用型工業機器人拖動示教臂系統的研究

邰文濤 芮 鵬

（哈工大機器人集團股份有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

0 引言

工業機器人能夠替代人工進行某些單調、繁重和重復的長時間作業或是危險、惡劣環境下的作業，其通用性強，生產效率高，產品質量能夠得到保障。工業機器人的操作示教方式多種多樣，本文將概述現有市場的示教編程方式并設計出一套新型的拖動示教系統。

1 離線示教編程

離線編程是通過軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環境，然后軟件可以根據要加工零件的大小、形狀、材料，同時配合軟件操作者的一些操作，自動生成機器人的運動軌跡，即控制指令，然后在軟件中仿真與調整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。離線編程克服了在線示教編程的很多缺點，充分利用了計算機的功能，減少了編寫機器人程序所需要的時間成本，同時也降低了在線示教編程的不便。目前離線編程廣泛應用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數控加工等機器人新興應用領域。

離線編程有以下優點：

（1）能夠根據虛擬場景中的零件形狀，自動生成復雜加工軌跡。

（2）可以控制大部分主流機器人。

（3）可以進行軌跡仿真、路徑優化、后置代碼的生成。

（4）可以進行碰撞檢測。

（5）生產線不需要停止運行。

離線編程有以下缺點：

（1）對于簡單軌跡的生成，它沒有示教編程效率高，例如在搬運、碼垛以及點焊上的應用，這些應用只需示教幾個點，用示教器很快就可以搞定，而對于離線編程來說，還需要搭建模型環境，如果不是出于方案的需要，顯然這部分工作的投入與產出不成正比。

（2）模型誤差、工件裝配誤差、機器人絕對定位誤差等都會對其精度有一定的影響，我們需要采用各種辦法來盡量消除這些誤差。

2 示教器示教編程

通過操作示教盒，或由人工導引機器人末端執行器，使機器人完成預期的動作，以獲取作業軌跡。相對于離線編程實用性強、操作簡便，因此大部分機器人都采用示教編程。示教是一種機器人的編程方法，分為三個步驟：（1）示教；（2）存儲；（3）再現。例如焊接機器人，它是按照事先編輯好的程序運動的，這個程序一般是由操作人員按照焊縫形狀示教機器人并記錄運動軌跡而形成的。目前，不像數控機床那樣有APT語言，機器人編程還沒有公認的國際標準，各制造廠商有各自的機器人編程語言。

以ABB示教盒在線示教為例進行分析：ABB示教盒應用程序由主模塊和程序模塊組成，主模塊包含主程序，程序模塊包含程序數據和完成特定任務的例行程序。系統模塊包含系統數據和例行程序，所有ABB機器人都自帶兩個系統模塊：USER模塊和BASE模塊，使用時對系統自動生成的任何模塊不能進行修改。

通過對ABB機器人示教盒示教編程的分析，可以發現示教編程有以下優缺點：

優點：編程門檻低、簡單方便、不需要環境模型；對實際的機器人進行示教時，可以修正機械結構帶來的誤差。

缺點：

（1）示教在線編程過程繁瑣、效率低。

（2）精度完全是靠示教者目測決定的，而且對于復雜的路徑示教在線編程難以取得令人滿意的效果。

（3）示教器種類太多，學習量太大。

（4）示教過程容易發生事故，輕則撞壞設備，重則撞傷人。

（5）對實際的機器人進行示教時要占用機器人。

3 牽引示教

牽引示教是指示教者在機器人末端上施加一定方向的力，通過電流檢測輸出6個分量的數據，指揮機器人做相應的動作，然后記錄位置，完成示教工作。廣泛應用于機器人手術、機械手臂研究、手指力研究以及精密裝配、自動磨削、輪廓跟蹤、雙手協調等作業中，涉及航空航天、機械加工及汽車等各種行業。

牽引示教也稱為“力反饋示教”，其本質是一種柔順控制，即讓機器人在用戶面前表現得似溫順的綿羊，用戶可以輕松隨意指揮它運動。目前市面上流行的解決方案是基于電流環開環控制，它的基本思路是使電機工作在電流環，電機盡量補償系統的重力矩及摩擦力矩，然后用戶就可以輕松地拖動機器人，這種方式很直觀。圖1是一個簡化的機器人關節模型，其中的彈簧相當于力矩傳感器，初始時關節處于靜止狀態。

現在在連桿中施加外力矩τl，該力矩引起連桿運動，此運動可以很快地傳遞到彈簧（力矩傳感器）處。該力矩通過彈簧后繼續往后傳遞至減速器端，并嘗試推動減速器反向轉動，但由于減速器靜摩擦力的作用，外力矩τl繼續增大，當大到超過了減速器的最大靜摩擦力時，減速器才會運轉，電機轉子也跟著運動起來，這時候，電流環才感知到了外力矩。

圖1 機器人關節簡化模型

基于此理論模型，工程師提出了一種基于力電反饋控制的拖動示教，其基本思路是通過濾波器估計出用戶力矩，再通過導納控制實現系統柔順性。

牽引示教有以下優點：使用簡單方便，不需要環境模型，適用于各種復雜表面及結構造型。

牽引示教有以下缺點：機器人本體成本過高，對檢測傳感器的精度要求高，機器人本體負載能力小。

4 通用型示教臂系統的研究

4.1 示教臂系統的研究概述

依據工業機器人理論建立示教臂運動學模型，求解運動學方程，實現示教臂關節信息到末端執行器位姿狀態的轉換。考慮到機械加工和裝配引入的誤差，建立示教臂機械誤差補償模型，實現對示教臂運動學模型參數的修正。通過對執行器末端偏移坐標系的分析，優化其坐標系校準模型，完成執行器末端坐標系快速校準工作。設計示教臂本體結構，優化示教臂結構參數和性能，從而實現通用性示教臂的設計與研究。

4.2 機器人示教臂齊次變換矩陣

任何一種物體在空間的位置和姿態都可以用齊次矩陣來表示，工業機器人運動的齊次變換矩陣如下：

本臺示教臂機器人各軸尺寸如圖2所示。

圖2 示教臂機器人模型參數（單位：mm）

本臺示教臂各關節旋轉范圍如表1所示。

表1 示教臂各關節旋轉范圍

通過以上參數及機器人示教臂齊次變換矩陣可求出示教臂機器人的運動變換方程。

4.4 示教臂數據采集及軟件

示教臂在各軸關節處均裝有高精度絕對值型編碼器，通過總線連接至PC，各軸分辨率達到80″，可精準地捕獲各軸動作。同時為了進一步提高精度，采用數據采集同步技術，保證在一個數據采集周期內各軸數據均在同一時刻。

軟件系統負責各軸數據采集處理、機器人程序生成下載以及機器人運行控制。采用三維視景仿真技術，可在線實時觀察運行狀態。

4.5 拖動示教展示

圖3實際展示了示教臂機器人樣機與安川機器人MH12的動態聯動過程。人工拖動示教臂末端把手，在原始位置保持并停止，記為原點位置；將機器人復位至示教原點位置，即可實時動態聯動效果（連續動作）。

圖3 示教展示

5 結語

機器人快速編程系統正朝著一個智能化、專用化的方向發展，用戶操作越來越簡單方便，并且能夠快速生成控制程序。同時機器人快速編程技術對機器人的推廣應用及其工作效率的提升有著重要的意義，簡單來說，如果沒有快速編程，也許機器人還只能干搬運、碼垛這些力氣活，永遠無法成為打磨、噴涂、雕刻行業的新生代“工匠”。

針對某些產品面多、結構復雜、型號多的特點，目前示教盒示教和離線編程這兩種示教方式已難以滿足產品生產的編程要求；牽引示教能夠實現復雜示教，但其成本過高，負載小，并沒有太多優勢；而本文所述通用型示教臂示教方式能夠解決以上難題，使工業機器人示教更簡單、更快捷、成本更低。