工業機器人工具位姿示教輔助裝置研究與設計

莫名韶，韋雅曼，黃宇婧，胡寧峪

（南寧職業技術學院 智能制造學院，廣西 南寧 530008）

0 引言

隨著國民經濟的發展，制造業中自動化程度不斷提高，工業機器人在生產中的應用越來越普遍。在運用工業機器人作業的過程中，面對不同的工作需求，機器人的末端工具經常需要到達一些特殊的狹窄的位置，機器人的工具在自動運行過程中進出這些特定位置時應該采用直線運動的方式，以避免若使用其他運行軌跡可能會對周邊物體產生碰撞的風險[1]。要實現工具的直線進出，運動軌跡編程中至少需要手動示教工具在該直線段路徑兩端的兩個位置與姿態，這些位置點與工具姿態的精確的設定是保證工業機器人能夠安全順利完成工作任務的前提。在現有的生產操作中，這些位姿的設置只能依靠操作人員的肉眼的細心觀察和嫻熟的手動操作技能[2]，因此，研究一種能夠快速、準確的輔助定位、調姿裝置，減少對工人操作技能的依賴，對減少手動操作時間、提升工作效率具有重要的實際生產意義。

1 工業機器人工具位姿示教輔助裝置分析

工業機器人在實際應用中，主要以自動模式運行。在自動模式中，機器人會按照預先編寫好的程序運行，帶動工具及工件到達工藝流程所需的各個位置，并完成輸入輸出信號的交互等指令功能。在工業機器人運行的過程中，末端工具運動過程所需要到達的各個關鍵位置點如取放工具、工件等位置，需要在程序自動運行前通過手動操控工業機器人各關節及工具到達該位置，并對應程序位置數據進行保存，這個過程稱之為機器人的示教。雖然有的機器人設備可通過專用離線編程軟件生成位置點數據，但因離線仿真軟件中所建模型的精度與實物誤差等原因，在實際工作中，程序運行前仍需要進行關鍵位置的手動示教檢驗、校準和調整。因此，工業機器人雖是自動化程度很高的裝備，但是手動操縱機器人及工具以特定姿態到達指定位置仍是必不可少的基礎操作。

工業機器人運行過程中其工具所需到達的眾多位置點中有的關鍵位置是空間相對比較狹小、進出困難易發生干涉碰撞的區域，如圖1 所示為工業機器人工具所需到達某狹窄空間位置。

圖1 工業機器人工具所需到達狹窄空間示意

實現機器人工具進出狹窄空間的常用方式：工具保持相同的姿態直線進出,如圖2 所示。工具若想實現在該空間的直線進出則至少需準確設定兩個關鍵的位置：工具夾取工件的目標位置（設定名稱為Pend）和該空間的外部過渡位置（設定名稱為Pmiddle），即該直線運動軌跡的兩個端點。工具到達兩個位置點和工具處于該位置點時姿態的準確設置非常關鍵，需要操作者反復切換不同的角度使用肉眼觀察并依賴個人對空間位置和距離的主觀判斷做出手動示教的調整操縱。為了減少示教時間、提升人工對工具位置的判斷效果，有必要設計和使用位姿示教輔助裝置。

圖2 工具直線進出狹窄空間所需設定直線軌跡示意

2 工業機器人工具位姿示教輔助裝置硬件設計

根據機器人工具位姿示教直線、平行移動的需求與特點，本文設計的工具位姿示教輔助裝置硬件組成部分主要有固定架、激光器安裝架、激光器、電源、手動開關、紅外接收模塊、紅外發射模塊（遠程開關）等組成。為了簡化結構節約空間、避免導線牽引帶來的不便，電源使用電池進行供電；為了增強裝置的易用性、通用性，裝置設置了手動開關和基于紅外通信模塊的遠程開關，可以通過遠程模塊上的手動按鍵或輸入端子連接PLC、工業機器人控制器等外部控制設備來手動或者自動遠程地控制激光器的啟動。本裝置硬件設計框圖如圖3 所示。

圖3 輔助裝置硬件設計框圖

工業機器人的工具形狀結構、大小功能差異較大。為了提高適應性、便于安裝和使用，本裝置硬件結構主要有2 種模式：（1）如圖4 所示；（2）如圖5 和圖6 所示。

圖4 是激光器集中布置在法蘭安裝環上的模式：安裝環用于將輔助裝置整體固定于工業機器人末端的法蘭上；激光器安裝在激光器安裝架中，可通過螺釘的固定，調整安裝環在機器人法蘭上的角度位置，多個激光器共用一套電源及紅外接收模塊。該方式適用于工具外形不大，不對激光器造成阻擋的情況，也可視實際情況將圓形法蘭安裝環設計為其他形狀，將裝置固定安裝于工具之上。

圖4 輔助裝置激光器集中安裝方式

另一種模式（圖5 和圖6），將多個激光器分散安裝于機器人工具不同位置的安裝方式：每一套激光器、工作指示燈、手動開關、電源及紅外接收模塊集中安裝在一起，通過不同形式的固定架安裝于機器人的工具上，結合實際固定架可以采用不同形狀如L 形、U 形、O 形等，以及不同的固定方式，如磁吸、螺釘連接、膠水黏合、扎帶等方式。該方式安裝更為靈活，激光器的發射的光線可不限于與機器人第五軸同向。

圖5 輔助裝置激光器分散安裝方式

圖6 分散式輔助裝置安裝實物圖（單個）

3 工具位姿示教輔助裝置的應用

低功率激光器是本裝置的主要部件，它主要由激光模組（二極管）制作成筆型發射器。常用的低功率激光發射器可發射紅光（650～660 nm）、綠光（532 nm）、藍光（445～450 nm）和藍紫光（405 nm）等，提供合適電壓可直線指向地投映一個光點或光線[3]。

本工業機器人位姿示教輔助裝置的應用方法示意如圖7 所示。通過手動開關或控制器遠程將激光器打開，則可在工具操作對象工件表面或附近物體表面上獲得光點，可選擇明顯位置如邊線、物體尖點等位置落光或者對光點投射位置做非破壞性的可擦除式標記，這些光點位置即為工具位姿的參考點。工具在不同位置、姿態處產生的多個光點位置一致，可認為它們的位置與姿態是處于相對平行的關系，在自動運行過程中使用直線移動指令則能夠保證工具及姿態的平行移動。具體操作方式是：先將工具示教至在狹窄位置的內部，獲取工件的Pend 位置處，微調工具姿態或者改變輔助裝置的激光器位置，獲得參考光點，標記光點，然后移動工具到狹窄位置的外部，利用光點，示教出Pmiddle 位置處工具位姿。機器人操作者依據兩者產生光點位置的重合度判斷工具運動軌跡的線性度和精度。同時也可以借助光束判斷和降低工具直線運動的過程中與旁物發送干涉碰撞的可能性。

圖7 示教輔助裝置使用示意

4 測試

測試主要檢驗輔助裝置在人工示教機器人工具位置和姿態的操作過程中是否能夠實現預計的輔助作用，減少示教時間、避免碰撞。測試選擇了40 位具有一定的工業機器人基本操作技能、水平不一的高職工業機器人技術專業一年級學生作為測試對象，設計了3 個不同的需要示教工業機器人工具直線進出狹窄空間的場景。先讓學生們在沒有輔助裝置的條件下，完成工具位姿的示教，記錄下3 次沒有碰撞、成功完成取放工件任務的操作總時間，再給工具安裝示教輔助裝置，開啟激光器使用輔助示教方式，同樣記錄3 次成功操作的總時間，對每個學生在這兩種條件下平均耗時進行對比分析。

測試結果如圖8 所示。分析測試結果顯示，同一操作者成功完成同樣的示教任務，在使用了示教輔助裝置的情況下，平均操作耗時均得到了一定的降低，從47.9% ～ 14.6%不等，考慮到操作者個人不同的操作習慣和水平，雖然重復實踐同一工作任務會有更深的理解和經驗的積累，但是結合實驗者對輔助裝置的普遍主觀好評和測試數據統計分析，可以認為該輔助裝置在提升示教操作的工作效率、降低操作者勞動強度方面是能夠起到積極作用的。

圖8 示教輔助裝置輔助效果測試

5 結語

完成了對一種以低功率激光器為主要元件的用于輔助人工對工業機器人，包括工作原理、硬件、應用方法、試驗測試等的研究。其結構簡潔、使用簡便，通過激光產生參考光點，輔助操作者示教工具得到平行位姿，為工具直線運動提供良好基礎，既可以應用于工業生產中，提升示教效果，也可以應用于高校、職校學生實訓及企業員工實操培訓中，減少碰撞保障人員和設備安全[4]。

另外，可在機器視覺自動比對參考光點等圖形圖像、獲取機器人內部位姿數據、自動反饋結果等方面開展進一步的研究和實踐，進一步提升人工輔助示教的精度和易用性，提升裝置的自動化和智能化水平，并結合成本控制需求與經濟效益價值，不斷完善設計方案。