面向抓取任務的機器人離線編程優化＊

趙為鑫 張文超 王明偉 王晨曦 姜翰 李達

（①大連工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034；②科斯特數字化智能科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518101）

隨著工業化不斷推進，高質量、高效率和低能耗的生產成為企業追求效率的指標，制造行業由低附加值向智能化、數字化轉變[1]。工業機器人逐漸取代傳統手工加工，并廣泛地應用在加工、制造及搬運過程中，依照加工工藝編寫機器人程序[2]。

機器人編程的過程中，需要考慮機器人抓取的精準性和設備間的干涉等問題；機器人末端的運動速度和姿態測試，保證機器人運轉的安全性和穩定性。機器人的編程方式主要有兩種，傳統現場示教和基于計算機軟件的離線編程[3]。傳統示教方式是調試人員在現場按照工藝要求，通過示教器操縱機器人末端執行器移動到指定的位置。該方法較為簡單，且容易上手，但在編程過程中受工作環境影響較大，既要考慮機器之間的干涉問題，也要保證人員的安全性問題[4]。

基于計算機軟件的離線編程主要借助于仿真軟件搭建三維空間環境，對機器人的軌跡和路徑點設計，分析選取較優的姿態，避免了機器人的干涉和奇點問題。近些年來，離線編程軟件逐漸應用于工業生產中，孟靜靜[5]等人，利用ABB機器人廠商提供的RobotStudio，搭建智能包裝生產線，優化控制系統。Dai H[6]等人在Delmia軟件對白車身焊接過程仿真分析，驗證焊接工藝的可行性。陳快[7]等人基于發那科機器人的Roboguide軟件實現了工作站的抓取、加工和去毛刺等工藝流程。以上的研究僅設計機器人的離線程序，尚未考慮機器人運行軌跡的位姿狀態；當多機器人相互工作時，系統兼容性不高。

機器人抓取任務是機器人常見作業。在抓取過程中，編程人員既要考慮機器人合理避讓設備，也要考慮運行軌跡和位姿狀態，增加了編程難度。本文以IRB1200型機器人為例，首先根據機器人結構建立運動學模型；其次，完成抓取過程的工藝分析和運動分析；再次，搭建仿真空間，以TCP速度為優化目標，對運動狀態和位姿優化；最后，進行抓取驗證，通過優化前后的位姿驗證優化的適用性。

1 機器人運動學模型

機器人離線編程中，對機器人運動學分析，判斷機器人的工作范圍和關節連桿的角度值，避免機器人由于位置不可達、關節奇異性等問題，導致機器人不能按照預期的程序運行[8]。本文采用IRB1200型機器人，該機器人廣泛應用于機械制造、物料處理、機床上下料、拋光和涂膠等方面[9]。其具體空間結構如圖1所示。

1.1 機器人的正運動學分析

機器人末端位置和姿態是由前端各關節的姿態經過鏈式法則變換得到的，其中前一坐標系i-1到相鄰下一坐標系i之間的變換關系[10]，滿足

因此，機器人末端工具相對于基座的變換矩陣即為機器人正運動學方程，根據各關節參數，即可分析出末端機構的位置姿態。

1.2 機器人的逆運動學分析

機器人的逆運動學在已知末端的位姿矩陣，求解滿足各關節要求的角度值，實現機器人的精準控制[11]。其中，機器人的1、2、3軸主要作用是產生轉動，4、5、6軸主要負責機械臂末端的移動。所以，根據機器人正運動學方程（2）同時左乘01T-1,可得

根據式（3）依次類推，即可求解個關節角。

對于求解出的6個關節角，并不是所有的值都滿足機器人的結構要求。根據公式（3）知，不同的角度值可能會有相同的位姿，因此機器人始末位置的位姿與機器人的各關節角度有密切關系，合理選擇角度值以優化機器人運動軌跡。

2 機器人工藝和運動分析

2.1 工藝分析

零件的加工工藝主要是將圓柱棒車削成階梯軸狀，加工前后的零件如圖2所示，半徑為4 mm、高度為12 mm、材質為鑄鐵，加工具體布局如圖3所示。

圖2 零件圖

圖3 布局圖

本文以零件的加工為例，由原材料處C、成品處D、機器人抓取A和數控車床B構成該加工工位。其中原材料處和成品處分別存放加工前后的零件；機器人抓取負責零件上下料；數控車床完成零件的加工和車削。機器人將加工后的零件放置成品處，回到初始位置，等待下一次命令循環工作。具體生產流程和機器人運行軌跡見表1。機器人在抓取任務中，要考慮到達各位置點的姿態，在保證位置可達的前提下不能超過機器人關節限制，避免機器人本體發生損傷；合理地安排機器人運動軌跡，優化運動路徑，提高生產效率。

表1 零件加工工藝

2.2 機器人運動分析

機器人抓取任務是機器人本體帶動末端機構從某一位置點，按照一定的軌跡運動到下一位置點，機器人各關節角度值發生變化。如圖4所示，機器人由A點經過B點向C點運動時有兩種方式，線路一為關節運動，機器人末端執行機構劃過的軌跡大致為圓弧形。線路二為線性運動，機器人末端機構按照直線軌跡嚴格執行[12]。

圖4 機器人軌跡

合理地規劃機器人離線程序，需要對機器人的運行方式分析和測試，提高機器人的工作效率。其中，根據機器人正運動學方程（2）可得，由于關節運動重點在于起始位置和中間點，對中間過程點要求較低。所以滿足B、C兩點要求的前提下，機器人可以選擇更多的姿態和過渡點，不易出現死點現象。機器人按照關節運動時，末端擺過的軌跡為弧形，主要以1、2、3軸的轉動為主。機器人前3軸具有較大的轉動慣量，可以較快的速度運行至目標點。但由于較大的轉動慣量使機器人運動狀態不完全可控，劃過的軌跡明顯，運行幅度過大，所以需要更大的空間范圍滿足軌跡要求。

線性運動更注重運行過程中的軌跡，嚴格按照直線的方式運動。根據逆運動學方程（3）值，滿足所有路徑點的解的數量的前提下，可能出現無解或者死點現象，導致機器人無法順利運行。受限于解的數目，在滿足所有關節角度值的情況下，機器人要轉過指定的姿態導致運行速度降低。但直線相比于圓弧，距離上會有所減少，在運行時間上可能縮短。線性運動主要依靠4、5、6軸轉動，機器人擺動幅度較少，運動路徑唯一。抓取過程中，要求機器人運動平穩，避免帶來不規則震動對零件的傷害；精準，確保機器人完成設定的工序。對機器人合理地規劃軌跡，可以提升工作效率的同時，延長機器人的使用壽命。

3 基于Tecnomatix的機器人離線編程

Tecnomatix是西門子提供的數字化仿真平臺，在仿真環境中對機器人上下料路徑點的選取、優化、分析，可以快速完成機器人離線編程，避免機器人與數控車床之間發生的碰撞問題，縮短了機器人調試周期[13]。

3.1 仿真空間的搭建

基于Tecnomatix搭建三維仿真環境的具體步驟如下；

（1）三維模型的導入：在創建三維仿真環境時，需要將三維模型導入到Tecnomatix中，在虛擬環境中完成產品的生產工藝仿真，提高了設計人員的可視化。本文主要三維模型為工業機器人、數控車床、原材料處和成品處，創建虛擬樣機。

（2）組件定義：導入的三維模型通過Tecnomatix中的組件定義，賦予具體職能并實現相關功能，各組件功能定義如表2所示。

表2 組件定義

（3）工具安裝：機器人第六軸為法蘭盤軸，在執行包裝、搬運和碼垛等工藝主要依靠的就是第六軸安裝的工具。如圖5所示，將抓手安裝在機器人上，實現零件抓取和運輸的功能。

圖5 機器人末端工具安裝

（4）系統布局：完成上述的準備工作后，完成設備布置，放置數控車床和機器人，最后完成仿真空間的布局，如圖6所示。

圖6 仿真空間的搭建

3.2 TCP速度分析

由第二章知，機器人運行方式主要分為關節運動和線性運動，基于機器人的運動學分析可以對機器人運行方式和路徑規劃，但由于機器人結構復雜等因素，此方法難度較大。利用Tecnomatix的機器人Motion Type功能可以修改機器人的運行方式，觀察不同方式機器人的運行速度變化曲線。TCP速度決定機器人實際速度和生產節拍，分析不同路徑的TCP速度的波動曲線，以選取適合機器人工況的運動方式。以工序4零件放置為例，該工序需要機器人穿過數控車床門運行至機床三爪卡盤位置，其中機器人的運動范圍受限制，同時避免與機床的碰撞。以該工序為例，得到TCP速度曲線如圖7所示。其中線路一為關節運動方式，線路二為線性運動。

圖7 不同運行軌跡下TCP速度曲線

通過圖7可以看出：線性運動時，機器人運動速度更大，最大值為613.55 mm/s，且速度曲線波峰較為尖銳，可能導致機器人出現死點位置。但由于運行速度較大，末端位置相同的前提下率先達到。因為運動路徑保持唯一，機器人擺動幅度較小，常用于在機器人工作狀態下移動；關節運動時，機器人的速度較慢，最大值為424.65 mm/s，波峰處相比于直線運動較圓滑，但運行軌跡狀態不完全可控，在狹小之處可能發生碰撞現象，常用于機器人在空間內大范圍移動。

該段路徑因機器人穿過數控車床，所以工作范圍受限制，在保證效率的同時也要考慮機器人的干涉問題，選取線性運動方式可以有效地避讓機床內部機構，避免發生碰撞問題。由于機器人末端機構按線性方式運行，在放置零件時，定位更為精準。

綜上，關節運動運動范圍較大，常用于大范圍的搬運，例如碼垛、搬運等，由于運行速度平穩的原因，保證了抓取過程中的穩定性。線性運行的軌跡精確性，常用于連續路徑工作，如噴涂、切割等，確保運動軌跡的逼近，以及狹小空間內抓取和放置工作。

3.3 路徑規劃與示教

根據機器人逆運動學分析，已知末端姿態時，機器人各關節角度有8組解，其中某些解不滿足機器人的關節角度限制。為避免發生死點現象，對軌跡點示教分析，以確保每個位置點都可達。根據具體加工工藝以及布局圖，對各軌跡點的位姿示教，關節角度值如表3所示。各關節角度滿足機器人關節限制，且位姿滿足工藝要求。其中A-C、C-等待位、等待位-B、B-D、D-A段采用關節運動，較低的速度下延長機器人的使用壽命；B與等待位之間由于空間狹小，采用線性運動，避免設備發生碰撞等問題。

表3 機器人軌跡點各關節角

4 實驗驗證

根據具體工藝分析，在仿真空間內選擇上述的路徑點和運動方式，編寫機器人離線程序，對比優化前后的TCP運行速度。如圖8所示，在相同路徑下，優化后的瞬時速度大于優化前的瞬時速度，機器人可以更快到達指定點。由于在狹小空間采用了線性運動，杜絕機器人發生干涉或者碰撞等問題。同時，在運行過程中選用關節運動，在保證速度的同時，避免機器人在運行過程中發生死點、位置不可達問題。優化后，機器人運行時間從40.8 s縮短到37.1 s，縮短了約10 %。在滿足工藝的前提下，減少了關節磨損，增加了運動的平穩性，在時間利用和能耗上有較好的表現。

圖8 優化前后速度對比圖

編寫好機器人離線程序，在仿真空間運行無誤后，可將程序導入生產線中真實的機器人示教器中。如圖9所示，由于安裝誤差和設備制造誤差的存在，不能保證完全按照仿真環境一比一還原，所以還需要對創建的機器人程序進行測試，達到最優的效果，滿足生產要求。經現場測試后，優化后的軌跡較為圓滑，在滿足預期要求的前提下，未發生死點或干涉現象，由此證明了優化的正確性。

圖9 機器人設備現場布局

5 結語

為提升抓取過程中機器人的效率，本文以IRB1200型機器人為研究對象，提出基于位姿的離線編程優化方法。

（1）根據機器人各關節角度關系，以及正逆運動方程，搭建運動學模型。

（2）完成加工工藝和速度分析，在不同運動狀態下機器人運行方式和使用場景，優化機器人程序。

（3）結合Tecnomatix建立機器人仿真系統，搭建仿真環境，對比不同運行狀態下TCP速度，完成路徑點的示教，驗證優化后程序的有效性；經驗證表明，機器人抓取任務可節約10 %左右的時間。

工業機器人工作效率是決定生產加工的重要影響因素。未來需對不同軌跡下對機器人能耗進行分析，進一步降低機器人能耗，提升生產效率。在滿足生產要求的前提下，對企業生產成本的降低具有重要意義，該優化方式可以廣泛應用于制造加工領域。