當(dāng)前機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆及打磨等領(lǐng)域，任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，而用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來(lái)越高。在這種形式下，機(jī)器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實(shí)現(xiàn)編程的自適應(yīng)性，從而提高生產(chǎn)效率，是機(jī)器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。
本文將就機(jī)器人編程技術(shù)的發(fā)展作一介紹，希望能給讀者帶來(lái)一些啟發(fā)。
對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，主要有三類編程方法：在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用中，手工示教仍然主宰著整個(gè)機(jī)器人焊接領(lǐng)域，離線編程適合于結(jié)構(gòu)化焊接環(huán)境，但對(duì)于軌跡復(fù)雜的三維焊縫，手工度要求，因此在視覺導(dǎo)引下由計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人自主示教取代手工示教已成為發(fā)展趨勢(shì)。
1.示教編程技術(shù)
（1）在線示教編程通常由操作人員通過示教盒控制機(jī)械手工具末端到達(dá)指定的姿態(tài)和位置，記錄機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，完成機(jī)器人在正常加工中的軌跡規(guī)劃、位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、記錄。
示教盒示教具有在線示教的優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)便直觀。如圖1所示，示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如，采用機(jī)器人對(duì)汽車車身進(jìn)行點(diǎn)焊，首先由操作人員控制機(jī)器人達(dá)到各個(gè)焊點(diǎn)對(duì)各個(gè)點(diǎn)焊軌跡通過人工示教，在焊接過程中通過示教再現(xiàn)的方式，再現(xiàn)示教的焊接軌跡，從而實(shí)現(xiàn)車身各個(gè)位置各個(gè)焊點(diǎn)的焊接。
車身機(jī)器人點(diǎn)焊過程如圖2所示。但在焊接中車身的位置很難保證每次都完全一樣，故在實(shí)際焊接中，通常還需要增加激光傳感器等對(duì)焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。
圖1機(jī)器人示教盒
圖2汽車車身機(jī)器人點(diǎn)焊
（2）激光傳感輔助示教在空間探索、水下施工、核電站修復(fù)等極限環(huán)境下，操作者不能身臨現(xiàn)場(chǎng)，焊接任務(wù)的完成必須借助于遙控方式。環(huán)境的光照條件差，視覺信息不能完全地反饋現(xiàn)場(chǎng)的情況，采用立體視覺作為視覺反饋手段，示教周期長(zhǎng)。
激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了用于遙控焊接的激光視覺傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過激光視覺傳感提取焊縫特征點(diǎn)作為示教點(diǎn)，提高了識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面曲線焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教（見圖3）。
圖3基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng)
（3）力覺傳感輔助示教由于視覺誤差，立體視覺示教精度低，激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器。但也無(wú)法適應(yīng)所有遙控焊接環(huán)境，如工件表面狀態(tài)對(duì)激光輔助示教有一定影響，不規(guī)則焊縫特征點(diǎn)提取困難，為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了“遙控焊接力覺遙示教技術(shù)”，采用力傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行辨識(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，反應(yīng)靈敏度高，力覺傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。
通過力覺遙示教焊縫辨識(shí)模型和自適應(yīng)控制模型，實(shí)現(xiàn)遙示教局部自適應(yīng)控制，通過共享技術(shù)和視覺臨場(chǎng)感實(shí)現(xiàn)人對(duì)遙控焊接遙示教宏觀全局監(jiān)控。
（4）專用工具輔助示教為了使得機(jī)器人在三維空間示教過程更直觀，一些輔助示教工具被引入在線示教過程，輔助示教工具包括位置測(cè)量單元和姿態(tài)測(cè)量單元，分別來(lái)測(cè)量空間位置和姿態(tài)。由兩個(gè)手臂和一個(gè)手腕組成，有6個(gè)自由度，通過光電編碼器來(lái)記錄每個(gè)關(guān)鍵的角度。
，由操作人員手持該設(shè)備的手腕，對(duì)加工路徑進(jìn)行示教，記錄下路徑上每個(gè)點(diǎn)的位置和姿態(tài)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的加工路徑值，實(shí)現(xiàn)示教編程，操作簡(jiǎn)便，精度高，不需要操作者實(shí)際操作機(jī)器人，這對(duì)很多非專業(yè)的操作人員來(lái)說(shuō)是非常方便的。
借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教，提高了機(jī)器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機(jī)器人加工的精度和效率，這在很多場(chǎng)合是非常實(shí)用的。
2.離線編程技術(shù)
圖4離線編程中的關(guān)鍵步驟
圖5基于Roboguide的離線編程和仿真
（2）商業(yè)離線編程軟件一般包括:幾何建模功能、基本模型庫(kù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規(guī)劃功能、自動(dòng)編程功能、多機(jī)協(xié)調(diào)編程與仿真功能。
件有：加拿大RobotSimualtion公司所開發(fā)的Workspace離線編程軟件；以色列Tecnomatix公司所開發(fā)開的ROBCAD離線編程軟件；美國(guó)DenebRobotics公司所開發(fā)的IGRIP離線編程軟件；ABB機(jī)器人公司開發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)的RobotStudio離線編程軟件。
MotoSim離線編程軟件，F(xiàn)ANUC公司開發(fā)了Roboguide離線編程軟件，可對(duì)系統(tǒng)布局進(jìn)行模擬，確認(rèn)TCP的可達(dá)性，是否干涉，也可進(jìn)行離線編程仿真，然后將離線編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機(jī)器人中執(zhí)行。
隨著技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測(cè)，人們開始研究以焊縫的測(cè)量信息為反饋，由計(jì)算機(jī)控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。
（1）基于激光結(jié)構(gòu)光的自主編程基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主規(guī)劃其原理是將結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機(jī)器人的末端，形成“眼在手上”的工作方式，如圖6所示，利用焊縫跟蹤技術(shù)逐點(diǎn)測(cè)量焊縫的中心坐標(biāo)，建立起焊縫軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)，。
韓國(guó)PyunghyunKim將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在6自由度焊接機(jī)器人末端，對(duì)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自由表面焊縫進(jìn)行了自主示教。在焊縫上建立了一個(gè)隨焊縫軌跡移動(dòng)的坐標(biāo)來(lái)表達(dá)焊縫的位置和方向，并與連接類型（搭接、對(duì)接、V形）結(jié)合形成機(jī)器人焊接路徑，其中還采用了3次樣條函數(shù)對(duì)空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合，避免了常規(guī)的直線連接造成的誤差，如圖7所示。
圖7傳感器掃描焊縫為獲取焊接路徑
（2）基于雙目視覺的自主編程基于視覺反饋的自主示教是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑自主規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，其主要原理是：在一定條件下，由主控計(jì)算機(jī)通過視覺傳感器沿焊縫自動(dòng)跟蹤、采集并識(shí)別焊縫圖像，計(jì)算出焊縫的空間軌跡和方位（即位姿），并按優(yōu)化焊接要求自動(dòng)生成機(jī)器人焊槍(Torch)的位姿參數(shù)。
（3）多傳感器信息融合自主編程有研究人員采用力控制器，視覺傳感器以及位移傳感器構(gòu)成一個(gè)高精度自動(dòng)路徑生成系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖8所示，該系統(tǒng)集成了位移、力、視覺控制，引入視覺伺服，可以根據(jù)傳感器反饋信息來(lái)執(zhí)行動(dòng)作。該系統(tǒng)中機(jī)器人能夠根據(jù)記號(hào)筆所繪制的線自動(dòng)生成機(jī)器人路徑，位移控制器用來(lái)保持機(jī)器人TCP點(diǎn)的位姿，視覺傳感器用來(lái)使得機(jī)器人自動(dòng)跟隨曲線，力傳感器用來(lái)保持TCP點(diǎn)與工件表面距離恒定。
圖8基于視覺、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統(tǒng)
基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)（RPAR）能夠在虛擬環(huán)境中沒有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機(jī)器人離線編程。由于能夠?qū)⑻摂M機(jī)器人添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所以當(dāng)需要效的手段，這樣能夠避免在標(biāo)定現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)編程的架構(gòu)如圖9所示，由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規(guī)劃以及路徑規(guī)劃的虛擬機(jī)器人仿真和現(xiàn)實(shí)機(jī)器人驗(yàn)證等環(huán)節(jié)組成。
圖9基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程架構(gòu)
基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)能夠發(fā)揮離線編程技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，比如減少機(jī)，安全性性好，操作便利等。由于基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人編程技術(shù)采用的策略是路徑免碰撞、接近程度可縮放，所以該技術(shù)可以用于大型機(jī)器人的編程，而在線編程技術(shù)則難以做到。
5、編程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，智能控制，據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的機(jī)器人編程技術(shù)將會(huì)發(fā)生根本的變革，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
①編程將會(huì)變得簡(jiǎn)單、快速、可視、模擬和仿真立等可見。
②基于視覺、傳感，信息和大數(shù)據(jù)技術(shù)，感知、辨識(shí)、重構(gòu)環(huán)境和工件等的CAD模型，自動(dòng)獲取加工路徑的幾何信息。
③、遠(yuǎn)程化、可視化。
④基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)離線編程和真實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)。
⑤根據(jù)離線編程技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)獲取的幾何信息自主規(guī)劃加工路徑、焊接參數(shù)并進(jìn)行仿真確認(rèn)。
總之，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，傳統(tǒng)的在線示教編程將只在很少的場(chǎng)合得到應(yīng)用，比如空間探索、水下、核電等，而離線編程技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD/CAM、視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，、大數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)深度融合，自動(dòng)感知、辨識(shí)和重構(gòu)工件和加工路徑等，實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動(dòng)糾偏和自適應(yīng)環(huán)境。
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