機器人離線編程技術現狀及前景展望

□介黨陽 □寇 萌 □胡昭琳 □劉霖平

北京宇航系統工程研究所 北京 100076

機器人離線編程技術現狀及前景展望

□介黨陽 □寇 萌 □胡昭琳 □劉霖平

北京宇航系統工程研究所 北京 100076

離線編程技術可以大幅節省制造時間，實現復雜機器人系統的時序仿真，并為機器人編程和調試提供靈活的編程環境，成為當前機器人領域的研究熱點。介紹了機器人離線編程技術的組成和應用現狀，并對應用前景進行了展望。

機器人；離線編程；現狀；發展

1 研究背景

工業機器人的應用程度是反映一個國家工業自動化水平的重要標志，近年來，我國機器人市場需求在快速增長，并已成為全球機器人應用的重要市場。2014年，我國工業機器人銷量達到5.6萬臺，同比增長52%，再次成為全球最大工業機器人應用市場。在珠三角地區，工業機器人應用的年均增長速度已達到30%，尤其在裝配、點膠、搬運、焊接等領域，已經掀起了一股工業機器人的使用熱潮。盡管如此，我國制造業使用工業機器人的密度仍然很低。2013年，我國工業機器人密度僅為每萬名產業工人30臺，不足全球平均水平的一半，與工業自動化程度較高的韓國每萬名產業工人437臺、日本每萬名產業工人323臺和德國每萬名產業工人282臺相比差距較大[1]，因此，我國工業機器人應用市場有巨大發展空間。

目前，采用機器人制造已經成為各大數控加工企業的發展方向，但是受限于現有機器人編程的耗時長和成本高，還沒有大量應用。

如何降低工業機器人的編程調試門檻，縮短客戶定制化任務的設計改造時間，實現工業機器人的去編程或易編程，已成為當前機器人領域最活躍與最前沿的研究課題[2-7]。傳統的示教器和示教編程已經在工業生產線上應用了半個世紀之久，甚至仍然是當前應用和操作機器人的最主要手段和途徑，隨著普及應用，弊端和不足也愈發明顯，主要表現如下[8]。

（1）示教編程需要在工作現場進行作業，作業的同時生產線上的所有設備都必須停工，生產效率損失極大。

（2）示教編程不太適用于運動軌跡過于復雜或精度要求較高的應用場合。

（3）示教編程對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無能為力，比如多機器人聯合作業等。

近年來，國內外許多大中型企業都裝備了自動化加工設備和計算機輔助設備與系統[9]。同時，計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術已趨于成熟，其高效便捷的建模手段和集成技術，成為工業機器人編程中的有力工具。這些設備和系統為工業機器人離線編程技術的研究和推廣提供了基本的硬件和軟件條件。與傳統示教編程相比，離線編程系統具有如下優點[10]。

（1）大幅減少了機器人的停機時間，當對下一個任務進行編程時，機器人可仍在生產線上工作。

（2）使編程者可在遠離危險的工作環境中編程和調試，改善了編程環境。

（3）便于和CAD、CAM系統結合，借助機器人廠家提供的豐富離線數據庫，對多種機器人進行編程和時序優化，開展全系統聯合仿真。

（4）可應用高級計算機編程語言對復雜任務進行編程，便于修改機器人程序，降低機器人編程難度。

因此，筆者在介紹機器人離線編程技術現狀時，著重總結目前世界上廣泛應用的離線編程軟件系統，并從去編程和易編程的要求出發，對機器人離線編程技術的前景進行展望。

2 離線編程技術流程

離線編程技術利用CAD建模技術生成的工作空間模型對機器人控制程序進行編程，在程序下載到工業機器人驅動器之前，可以離線對運動的軌跡、時序等重要特征進行仿真。機器人離線編程技術流程如圖1所示[11]。

3 離線編程技術組成要素

3.1 CAD建模

圖1 機器人離線編程技術流程

CAD建模需要完成的任務如下：①零件建模；②設備建模；③系統設計和布置；④幾何模型圖形處理。因為應用現有CAD數據及機器人理論結構參數所構建的機器人模型與實際模型之間存在誤差，所以必須對機器人進行標定，對其誤差進行測量、分析及不斷校正。隨著機器人應用領域的不斷擴大，機器人作業環境的不確定性對機器人作業任務有著十分重要的影響，固定不變的環境模型是不夠的，極可能會導致機器人作業的失敗。因此，如何實時確定機器人作業環境，并以此動態修改環境模型，是機器人離線編程系統實用化的一個重要問題。

3.2 目標特征識別

這個過程包括從操作目標的三維模型中提取出特征路徑，根據所采用的末端執行器的坐標位置，生成機械臂末端運動的路徑點。這個過程要求離線編程系統能夠從目標的邊、角等特征中自動識別出特征曲線，以減小編程量。此外，初始點、進給點和退出點等特征點需要人為指定。

3.3 軌跡規劃

根據識別的目標特征，自動生成軌跡。通常根據機器人逆運動學計算出來的軌跡可能不止一條，具體應用時還需要根據具體的空間可達性、避障性能，以及最小化構型轉換等要求，由操作者來選擇或通過優化目標函數來選擇。

3.4 工藝流程規劃

對于處理復雜工藝的情形，尤其是多機器人協同操作的場合，需要通過離線編程系統規劃出詳細的動作時序和路徑，避免干涉和碰撞，同時優化各個參數，提高生產效率。

3.5 流程仿真

流程仿真是離線編程系統的一大優勢，通過流程仿真可提前發現程序中不協調的項目，事先直觀獲知機器人運動過程，減少占用生產線的時間。

3.6 后置處理

后置處理的主要任務是將離線編程的源程序編譯為機器人控制系統能夠識別的目標程序。當作業程序的仿真結果完全達到作業要求后，將該作業程序轉換成目標機器人的控制程序和數據，并通過通信接口下載到目標機器人控制柜，驅動機器人去完成指定的工作任務。

3.7 標定

在理想情況下，由離線編程技術建立的模型應同機器人實際模型完全一致。在傳感器匹配的情況下，由離線編程系統生成的程序可直接下載至機器人系統中執行工作任務。實際上，由于模型和真實系統間存在差別，在實際應用中需要對離線編程系統的結果進行標定和修正。因此，標定時間至關重要，一方面會影響到機器人的實際工作效果，另一方面占用了機器人生產線的時間，所以應盡可能縮短標定時間。

4 離線編程軟件系統

國內外的離線編程軟件，按照設計用途大致可以分為兩類：通用型離線編程軟件和專用型離線編程軟件。

4.1 通用型離線編程軟件

通用型離線編程軟件通常都由第三方軟件公司負責開發和維護，可支持多款機器人的仿真、軌跡編程和后置輸出。這類軟件優缺點很明顯，優點是可支持多款機器人，缺點是對某一特定品牌的機器人的支持力度不如專用型離線編程軟件大。

典型的通用型離線編程軟件及其特征見表1。

表1 典型通用型離線編程軟件及特征

4.2 專用型離線編程軟件

專用型離線編程軟件通常由機器人本體廠家自行或委托第三方軟件公司開發及維護，這類軟件通常只支持本品牌的機器人仿真、編程和后置輸出。由于開發人員可以接觸機器人底層數據通信接口，所以這類離線編程軟件有更強大和實用的功能，與機器人本體兼容性也更好。

典型的專用型離線編程軟件及其特征見表2。

5 前景分析與展望

離線編程技術因其能夠大幅減少機器人的停機時間，對多種機器人進行編程和時序優化，開展全系統聯合仿真，降低機器人編程難度，已經成為當前機器人領域的一個研究熱點。但即便如此，離線編程技術在應用時仍需要一定的專業基礎，不能做到真正的傻瓜編程。同時，由于各個生產廠家接口不一，通用型離線編程軟件在通用性和專業性方面較難平衡。離線編程軟件與以下幾個方面的建設和發展息息相關。

表2 典型專用型離線編程軟件及特征

5.1 機器人標準化

離線編程技術的發展與機器人行業標準的完善和推廣息息相關。目前世界上知名的機器人公司有20多家，使用相對比較普及的工業機器人有超過200種，然而目前工業機器人行業標準通過國際標準化組織認證的卻為數不多，且已有的幾項標準也多為近幾年認證的。涉及到工業機器人機械接口的ISO9409系列標準目前也僅通過了一項子標準，尚沒有與機器人控制接口函數相關的國際標準。各個機器人生產廠商控制接口函數和編程語言的多樣化，對通用性離線編程軟件的接口通用化造成了很大的困難，實際上不利于離線編程技術的推廣。

5.2 開源平臺建設

近年來，機器人開源操作系統的發展為復雜機器人系統的開發提供了一個開放、高效的平臺，降低了世界上很多機器人系統的開發門檻，同時極大地提高了機器人系統的開發效率。離線編程技術因其直接決定機器人的易用性和開發周期，同樣急需建立一個世界性的開源設計平臺，使離線編程技術能夠如機器人驅動和控制一樣，成為設計師的一項普遍使用且熟練掌握的通用技術，這也是提高離線編程技術實用性的有效手段。

5.3 機器人客戶與生產商之間的商業機會

雖然離線編程技術已經使編程變得直觀，但開發起來其專業性仍較強。對于購買工業機器人的客戶而言，他們更希望看到有專業的開發團隊來負責實現企業自身的定制，因為生產線改造有較強的非周期性，而為此配置一個專業的開發團隊成本較高。而對于機器人生產廠商而言，若能夠將處理機器人售后調試及后續二次開發的工作分離出去，集中優勢力量來研發更符合市場需求的機器人本體也不失為一個不錯的選擇。

6 結論

機器人離線編程技術是解決工業機器人巨大市場推廣需求與編程過程效率低下的現實矛盾的有效工具，其強大的CAD、CAM支持能力，能夠很好地實現復雜系統的編程調試，其較好的仿真能力增加了編程的直觀性，可有效減少占用生產線的時間。隨著近年來工業機器人標準的制定，以及越來越多高效設計平臺的推廣，機器人離線編程技術一定能在未來有較大提高和發展前景。

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Offlineprogrammingtechnology can saveproduction timegreatly,realizethetiming simulation of complex robot system,and provide a flexible programming environment for robot programming and debugging which becomes the research hotspot in the field of robot.Introduced the composition of offline programming technology of robot and itspresent statusof applicationswhiletheapplicationswereprospected.

Robot；Offline Programming；Present Status；Development

TH164；TG659

A

1672-0555（2017）03-054-04

2017年1月

介黨陽（1984—），男，博士，高級工程師，主要從事機器人與運載火箭發射技術研究工作

（編輯：平 平）