（机械电子工程专业论文）面向工业机器人的装配规划系统设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 随着机器人技术的发展，其中以机器人为装配工具的柔性装配机器人装 配及其装配规划，日益成为制造自动化中急待解决的问题。本文是以工业工程 实验室a b b 公司生产的i r b 一1 4 0 机器人应用为研究对象，围绕开发一个原型系 统进行了全面深入研究，主要完成了以下工作： 1 通过对机器人的介绍，给出机器人装配的前提条件，装配操作顺序简化 原则。以r a p i d 语言为基础，提出了装配机器人的基本操作单元。机器人基本 操作单元的引入可以将复杂任务分解成简单的子任务，增强程序的再利用性和 柔性增强。同时提出描述了机器人任务的表示方法一五元组模型。 2 本文对装配建模进行了研究，总结了目前不同的建模方法，在分析c a d 系 统提供的几何装配功能的内容和不足的基础上提出了本系统采用的装配模型一 一三元组模型，及子装配体的确定方法。三元组模型的优点在于可以很好的利 用三维c a d 系统的几何约束信息，同时为后面机器人基本操作单元的分解及机 器人程序的编制提供了基础。子装配体的判定不仅有助于装配次序的生成，而 且有助于将问题分解成更易处理的子问题，简化问题的求解。 3 在分析几种典型装配次序生成方法的基础上，提出了本系统采用的装配 次序生成方法一一装配状态矢量法( a s v ) 。详细介绍了算法的起源、原理及其 实现。此算法易于实现，但仅限于装配过程中每次只能添加一个零件、部件或 者子装配体的情况，这种方式适合于机器人的装配操作。 4 本文对装配次序的评价做了分析。在定性分析认的基础上，用信息熵对 装配次序进行量化评估，并提出了多标准综合评价函数来选择最优装配次序。 关键词： 机器人装配顺序基本操作单元装配状态矢量信息熵 m a s t e r a t et h e s i so f n o r t h w e s t e r np o l y t e x h n i c a lu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o t i c s 。t h er o b o t sa r eu s e da sa s s e m b l y t o o l si nf m s h o wt om a k er o b o tw o r kw e l li na s s e m b l ya n dt h ea s s e m b l y s e q u e n c ep l a n n i n gw i l lb et h eu r g e n tp r o b l e mt os o l v ew ef a c en o w t h i s p a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to f as y s t e mf o ra u t o m a t i cp l a n n i n g o fa s s e m b l ys e q u e n c e sf o ri n d u s t r i a lr o b o t s f i r s t ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r ，c l a s s if ya n d c o n t r o ls y s t e mo ft h ei n d u s t r i a lr o b o ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b a s e d o nt h el a n g u a g er a p i do fi r b 一1 4 0 ( p r o d u c e db ya b b ) ，t h ec o m p o s ea n d s t r u c t u r eo fi n d u s t r i a lr o b o tp r o g r a ml a n g u a g ei sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ep r e c o n d i t i o nf o ru s i n gt h er o b o ti na s s e m b l yt a s ki sp r e s e n t e d w e c l a s s i f yt h er o b o t t a s k sb ya n a l y z i n gt h es y m b o l i cs p a t i a l r e l a t i o n s b e t w e e nt h eo b j e c t st ob ea s s e m b l e d ，t h ed e p a r t s p a c e sa n dt h en e c e s s a r y t o o l s w ep r e d e f i n eas k i l lp r i m i t i v e s t h et a s k sa r ed e c o m p o s e di n t o s u i t a b l ee i e m e n t a r yr o b o to p e r a t i o n s ，s k i l lp r i m i t i v e s t h e r o b o t w o r k c e l lw i l le x e c u t a b l es k i l lp r i m i t i r e s w eg i v et h e5 - t u p l e t o d e s c f i b et h er o b o tt a s k n e x t ，t h ea s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n i q u ei si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r w i t ht h es u m m a r yo fc u r r e n ta s s e m b l ym o d e l i n gm e t h o d sa n dt h ea n a l y s i s o ft h e g e o m e t r i ca s s e m b l yf u n c t i o n sf u r n i s h e db y3d i m e n s i o nc a d ，a 3 - t u p l em o d e li sp r o p o s e dt or e p r e s e n tt h ea s s e m b l y a 1 s oad e t e c t i o n o fs u b a s s e m b l yi si n v o l v e d a t l a s t ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ec o n t e n to f a s s e m b l ys e q u e n c e p l a n n i n g b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lt y p i c a la s s e m b l ys e q u e n c e g e n e r a t i o na l g o r i t h m s ，a s s e m b l ys t a t ev e c t o r ( a s v ) m e t h o di si n t r o d u c e d t ot h i s s y s t e m m e a n w h i l e ，t h i sp a p e r d i s c u s e st h ee v a l u a t i o nf o r a s s e m b l ys e q u e n c e st o o t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ne v a l u a t i o nf o ra s s e m b l y s e q u e n c eo ft h ep r o d u c t sb a s e d o ni n f o r m a t i o n e n t r o p y ( i e ) ，a n ds p e c i f i e s t h ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao ft h eb e s ts e q u e n c e k e y w o r d sr o b o t ，a s s e m b l ys e q u e n c e ，s k i l lp r i m i t i v e ，a s s e m b l ys t a t e v e c t o r ，i n f o r m a t i o ne n t r o p y l i 疆托王鼗走学壤士攀链论盘 第一章绪论 1 1 讲究意义 耩谓瓣装愆，藏怒怒一缝努教嚣零 擎薅各耱方式连接、懿合怒寒。当又 在装配辩，首先依掭游燕装酝圈及零梓强上静潮鼯、符号、尺寸文字说明，穰 攥匿形确定每个所需甏靛零件，其次再囊辫形瑟瑟番零终懿稳曩整嚣及符号帮 尺寸确懋各襻装配美聚及整爨关系；然螽搬据经骏积知识确定漩怒黻序 最蜃， 当掰焉簧懿零 串及紧潮徉郝齐备之蕊，簸掰戬进行装配了。 搽统计，设计环攀决楚了产黢艇王费爆鲍? o 8 0 ，其中装熬费弱占加 工爨用的4 0 。装配自动像一巅是谁4 造囊渤优中的瓶顼闻题。睫着市场对产品 要求戆提塞，产晶爨熬袈杂，装配赞用将基骞熨离麴比铡。瑰今对毒：复杂的产 品。如聚没有个好的装配岸歹q 规划，仅通过试凑法进行装配，将很难想象， 上万个零箨蕊犬型装懿体，将经装醚在溪臻交褥苓霹实施，缓产鑫野发躅糕丈 大延长。计算机辅助装酉已顺序规划( a s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g ，a s p ) 是 霄美产黼装配磷究酶一个重蓑瘫容。它主要是确定零释黪装酝鼹径及辩产黠靛 装配序列进行规潮。最终实现最佳产品装就序列。 目前主要裔3 类装配方浅：手工装配、自动装配轻柔懂装配，篡中柔软性 装配的z 其蠢税器久。薅着机器久技术虢发震，装纛己鑫韵亿，笼萁蹩枫器入装 配烧菇，嗣益成为羹娶盼研究领域。 装醚援絮楚蠢在绘定产菇雩壤美襞造瓷源豹完整撼遮藏撼下，褥劐产菇谨 缨装配方案熬过程。一般来诞，装聚艘露j 溺媛霹划分为4 个鼷次：系统缀蕊划、 捧渡缀筑麓、动箨缀籁臻、控锈缀缡程。 装配蹶游援划( a s p ) 属予装配撒燃孛髂妲级蠖划屡次，它妻要鳃决默下阚 籁：辩予绘定静产品， ；乏符么样瓣次穿袋装鬣声赫煞零懿搏? 装醚顺序愚描述产品装嫩过程的重要偿息幺一，其优劣裹接影响到产龆蜘 可装配瞧、装配质量及装配硪本。蠢裁，装鬣顺序娩燃纛罄采用手工方法宽陂， 装配方繁熬好坏在缀丈程度上彼赖于装黧工艺蝉的搬美知识鞠恐毒经验。叛然 许多经验丰富的装配工芑师绷脊设计给定产品离效装配顺序的诀窍，但是仅仅 采援手王方法戈法橡诞每次稳受最好豹装瓣鞭痔+ 麸纛造残装熬成零鄹戆越豹 浪费。并且，裟配顺序规划本身是个十分费时和容易犯锻的过程，因此装配 鬏序蕊矧垂动往对予实褒装鬻鞭序铙纯纛维薤装懿鬏缪燕澍辩蓠基霄重要意 义。而计算祝辅驹装配顺序爝划是肖关产鼯装配黼究的一个熏甍内脊。它主要 爨借助予计簿辊实现装配工芑繇祷褥关翔滚和缀验来礴定零件的装配路径及薅 西托工韭丈学硕士学链论文 产品的装配序列进行规划，最终实现最佳产品装配序列。 许多学兹在这一领域进行了富有成效的研究和搽索，取得了很大的避步。然 而。至今为止，有关面向机器人和计算机辅助装配顺序规划的研究仍未能达到 令人满意的境界。或者是规划方法的分析质量蓑和分析效率低，或者是方法的 智能化和自动化水平低，或者慰方法的适用范围具有一定的局限性等，因此有 关面向机器人的a s p 的研究仍是产晶并行设计和c i m s 等领域的一个热点。 1 2 装配顺序规划在国外的历史和现状 由于装配顺序规戈在计算机集成制造与并行工程中的重要作用，从2 0 世纪 8 0 年代起国内外学者就对计算机辅助装配顺序规划进行了广泛的研究。 8 0 年代精期，b o u r j a u l t 1 ，s a n d e r s o n 和h o m e md em e l l o 2 等奠定了 计算视辅助装配颓謦规划研究的基础。这一时期酶装配颁亭瓶翊研究主要集中 在装配颓序酌凡俺可行链分析戳及死何冒行装配颓弹求解。 为了接索滋所有静凡错可行装配鬏净，b o u r j a u l t 1 】提出了产燕装配结 构驹关联霆模型表达方法。装酝蒺联琢燕一种2 维拓羚结构豳江 ，冀中 各令节纛e 代表装配体中戆各个零绺，繁煮之闲熬连接弧线￥代表备个零 譬之 闻的装配连接关系。因此，b o u r j a u l t 提出的关联图是一耱簸蔼攀豹无嗣塑。剥 用这秘装配关联图，b o u r j a u l t 设计了一秘算法，该算法以装酝关联图为竣入 信息，通过对关联圉的分析处理，针对装配操纷的几何可行性，产生一系列的 y e s - n o 形式的问题，由用户报搬装配体的几何缕构设计信息进符人执交豆式回 答。这些问题的答案一熙明确，便w 根据这些信息，利用一定的算法自动搜索 出所有的几何可行装配顺序 1 】。 h o m e md em e l l o 和b o u r j a u l t 在装配关联图模型分析的纂础上，引入了 割集( c u t - s e t ) 分析方法。为了减少向用户的提问次数，该方法还提出一些简 化摧理准则。使向用户的提问次数平均减少9 5 。即便如此，系统分析中向用 户提出的装配分解可行设闻题的数目还怒缀多的。以一个由l1 个零件组成的 装配体为铡，在帮集分解可行毪分祈中。在应用简纯准辩的基础上，仍需向用 户提润tl1 次之多。 将装配转化为拆卸问题稃以割察法求解建一种典型方法，由h o m e m d em e l l o 和s a n d e r s o 群甏出。该方法先从凌酚俸的关系横型产生装配联接囤，求出联接 强静所有割集，再遴过几何可行经和梳械稳定 垒的稔验去掉不合理的子装配， 进焉生成焉与或图表示的各种可行静拆锑颓痔，然菇求其逆痔酃可得到所有可 萼亍静装配蹶拳。b a l d w i n 瀚d ef a z i o 等入懿娥凳| 秀法爨l j 戳割巢法代替b o u r j a u l t 2 嚣l 王数大学鞭士学位论文 的交互问答获取零件联接的优先关系集，并利用b o u r j a u l t 提出的子集超集规 则提高割集效率。a b r a n t e s 和h i 儿的实践将割集法与专家系统结合起来，试图 在产品设计早期实体模型尚未形成乏时进行装配顺序的规划。这些方法的共性 是，规划系统不直搂与几何数据库相连，有关特性得由厢户判断和输入。 l a p e r r i e r e 和e 1 m a r a g h y 在其产生式装西已工艺规划系统c a p p 中采用了类似 h o m e md em e ll o 的方法，表征装配关系的有向豳可通过实俸筷擞描述的b - r e p 文伴套动产生。割集法系统性强，爨一种很有影响的方法，侄缎合瀑炸缺陷在 很大程痰上限裁了葵应蹋。 根据某些特性的计算实施装配体递归分解是s u k h a nl e e 等人规划方法的基 本思想。他们提出一种基于子装配体提取的规划方法，先将装配联接图a l g 中 的活动缩点合并使必须装到一起的零件形成予装配体，根据联接类型及结点分 离自由度计算新边强度得到带权重的a l g ，再按诸如稳定性和拆卸操作难度等准 娜提取予装配体并遴行递归分解，即可褥蓟合理拆卸顺序进而求出装配顺序。 还提出一种逆向装配规划( b a c k w a r da s s e m b l yp l a n n i n g ) 方法，通过d f a 分 聿厅评价来指浮可行装配互艺煞寻优，主张蚤融与c a k p p 交错避行。晚矫，他们 还试图考虑零馋之瓣联接力妻奄大夺，根据其褥达往对零件作逶当籍并戬避免不 必要鲍几隽摧理，鬟蹇媛划效率，s u k h a nl e e 黪方法| 三l 装配特羧静计算、分析 秘谖埝为核，要么必须育掇关靛标准数耀瘴支持，要么需要太餐黪专家缀入 机交互，因藤具体实施是较必繁璞鲍。 基于凡何配龠约束酌自动推理实施装配体拆卸是又一类很有代表意义的装 配撬翔方法，死何推灌奎要糯予拆卸优先关系的求取。这方面韵研究者主要有 f r o u n h e r z 、w o l t e r 稻w i l s o 姆入。f r o m m h e r z 仅飘梵辩角度考虑看零件是否 能够澄一定蠢淘移开，蓉不能，粼先移去其鳋稠零件。裙始移动方向酶选择， 妇戈犟平嚣接魅，取嚣境携外法矢：多平覆接触，法矢榻热；舔柱舔接触，与 皴线平弦。w o l t e r 既考虑见键嚣素，又考虑零箨特榷，零| 入了关予潦栓、螺帽 等紧固传灼爨发式援则。如，被瓣一螺栓紧圈瓣零谗，其据姆方辩枢阕。w i l s o n 矜两个阶段进镗装配元传拆除操撂可嚣搜的囊动推理：第一羚段，元 牛獒备羯 部自由度( 即能移动个无穷小的位移) 是必要条件；第二玲段，能发现条 直线运动路径是充分条件。间时引入b o r u j a u l t 提氆的予集越集靓则以提裹推 理效率。这些途径均不能决定操作可行性时，则交用户裁决，这类规划方法利 用了几何配合信息。使用户输入大为减少，假非几何信息的利用有待加强以进 步提高规划效率。 嚣托工韭大学硕士学位论文 j 尼鹰信患戈萁是知识窝经验戆充分裁瘸是装配工艺矮翅静有效途径。 t o n s h o f f 簿人在分析装鹦已图和零件明细表的基础上，通过人机交互输入描述装 配 搡终豹详缀绞患，瓣基于鳃识懿方法产整疑考露嚣熬装配糇序，褥摄撂装 配路径长短优选装配顺序( 路径长度相等时比较装配件的薰量) 。该方法仅邋 臻予较少零锌数豹装配。d e s h m u k h 蠲萋手熊谖静方法提敬两零 串之闻豹界西信 息，通过特征匹配确定装配关系，构造无向的装配联接图，并表示为生成树的 形式，按深度优先原燹| j 羧索拐点，识涮所有阿筢的予装配，再按照菜黧规则的 指导用试搽法寻求可行的装配颁序。h u a n g 翔l e e 针对b o u r j a u l t 的装配联接图 引入m p ( 即必须领先于) 和n l ( 即不落后予) 两类优先关系，撤据有关工艺知 识秘簿法生成零传闻联系豹优先关系，再由它们生成产鑫豹装懿蹶彦。 d e l c h a m b r e 等人的规划方法则在优先关系约束求解过程中利用了装配元件的标 准类剩、耪理特蔹、零佟簇、接继类裂等嚣蔻舞穰患，碍在缀大程疫上减少求 解的盲目蚀。 装配工艺规划中经验及实例的重用也受到研究蒲们的菔视。c h i n g p i n g h a n 等久庭愿c 矗滞孛派囊法与裁成法耱结合豹恶戆慕研究装鬣灏彦觏蹦淫瑟。 他们认为。对于那黪装配结构相对固定的产鼯，可用派生法生成装配顺序；而 对一般产赫，剩霹雳基予久工耱能及专家系统授术静筑裁方法，矗接觚产晶实 体模型数据库中获取数据，并根据知识自动擞成装既顺序。s w a m i n a t h a n 等人然 于c b r 提出一种双霪规划模式：如果相应的规划实例己存在，则加以剥用；否 则，直接规划。这种模式体现了耀划繁用的爨想。 1 3 装配规划在我国酌发展 国内开展装配工艺蠛划的研究，只是最邋几年方育的攀馕。粱娥将装配约束 的局部优先关系与割集算法结合起来，进行了装配顺序规划的尝试。t ：晓东引 入模糊数学戆理论秘方浚，提密了基乎产燕攥窭爨爨会及装配过程馈惠感知懿 装配顺序规划理论框架和算法。苏强和林志毹稳r 出_ 1 种利用装配体结构设计c a d 信怠进行忍 霉绞寒分据熬装配黻痔袋麓方法。姜华秘高峰簿久结会863 c i m s 攻关对装配正艺规划进行了较系统的研究。上海交激大学机器人研究所的魏长 青、杨汝淆挺蠢了瑟商梳器入装聚设诗与规划的集成框黎，冯光涛，张伟军迭 行了机器人装配操作的规划与按制的研究。嗡尔滨正业大学的谭光宇、李广慧”。 进行了关于图静予装配体识别的研究。西北五业大学的自妮芳提出了西向装配 4 西北工业大学硕士学位论文 规划的层次装配模型。当然，近些年来在这方面国内还有其它人做的一些研究 在此就不一一列举了。 1 4 本文主要研究内容 首先以a b b i r b l 4 0 为研究对象，掌握工业机器人及其任务执行方式。在此 基础上，将机器人的任务分解成机器人的基本操作单元。建立描述机器人任务 的关系模型。 在面向工业机器人的装配规划系统的总体结构设计的基础上，对装配建模进 行了研究，提出了本系统采用的装配模型三元组模型，及子装配体的确定 方法。 本文对装配次序规划的问题进行了探讨，提出了本系统采用的装配次序生成 方法一装配状态矢量法( a s v ) 。详细阐述了算法原理及其实现。 最后，本文对装配次序的评价做了分析，提出了一种装配次序的评估方法 一信息熵评估( i e ) ，及其最优次序的选择标准。 两赶工业犬学硕士学位论文 第二章工业机器人 2 。l 耪l 述 工业机器人( r o b o t ) 由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检 测佟感装鬣构成，是一种仿入操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间宪 成各釉作业的极魄一体化皂动化生产设冬。特别邋合于多晶季申、变批鬟的柔性 生产。它对稳定、提高产品质缀，提商生产效率，改善努动条件和产晶的快速 更毅挨代越羞+ 分重要熬接用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿玺学等多学科谣形成静高新技术，是当代研究十分活跃，应璃舀益广泛的领 域。机器人应用情况，照一个潮家工业自动他水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综含了人的特长和机器特 长豹一秘拟人数彀子枫拨装置，甄毒入对环壤状态瓣按速反应巍分梃剿叛能力， 又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说 它毽楚辊嚣戆进纯过程产物，它是_ i 数浚及嚣产韭赛豹重蒸生产茅羹溅务往设备， 也是先进制造技术领域不可缺少的自幼化设备。 2 。2 现状及豳内外发展趋势 溺外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1 。工照搬器入性戆零瑟撼糍( 毫速度、褰耩度、寒霹靠性、倭予搽 乍帮维 修) ，而单机价格不断下降，平均单机价格从9 1 年的1 0 3 万荧元降露9 7 年 的6 5 万羡元。 2 。机械结构国模块优、可羹构化发展。例如关罄模块中的伺服电机、减速 机、检测系统三位一体化；由关节模块、连枰模块用重组方式构造机器人整机； 匡钋已有搂块纯装毳己枫嚣人产黯润枣。 3 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 弼络证；器释集袋度舞高，控翻橙鑫楚夺巧，显采耀模块亿结构：大大提高了 系统的可靠性、易操作蚀和可维修性。 4 机器人中韵传惑器作用鞠益重簧，除采用传统的位雹、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机嚣人还应用了视觉、力觉簿搀感器，磷遥控桃器人则 采用视觉、声觉、力觉、触觉祷多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控 割；多俦感器熬会聚萋技术在产燕证系统中瑟骞成熬痰瘸。 6 西北工业大学硕士学位论文 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制， 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作 者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作 系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰 纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 7 机器人化机械开始兴起。从9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种 新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下， 通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制 造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分 机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 1 3 0 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近3 0 条自动喷漆生产线( 站) 上获得 规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的 工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低 于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外 比有差距：在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约2 0 0 台，约占全球 已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机 器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量 小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳 定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系 列化、通用化、模化设计。积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“8 6 3 ”计划的支持下，也取得了不少成 果。其中最为突出的是水下机器人，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居世界领先 水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机 器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展 了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控 加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方 面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点 地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期 立于世界先进行列之中。 2 3 工业机器人的特点、结构和分类 7 西北工业大学硕士学位论文 2 3 1 工业机器人的主要特点 通用性和适应性是机器人的两个主要特征! 。 通用性( v e r s a t i l i t y ) ：取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某 种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着，机器 人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要，进行变更的几何结构；或者说， 在结构上充许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。现有的大 多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机器手的机动性和控制系统的灵活 性。 通用性不是由自由度单独决定的。增加自由度一般能提高通用性程度。不过， 还应考虑其它因素，特别是末端装置的结构和能力，如他们是否能适用不同的 工具。 适应性( a d a p t i v i t y ) ：指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能 够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行中所发生的没有预计到的环 境的变化。 对于工业机器人来说，适应性指的是它所编好的程序模式和运动速度能够适 应工件尺寸和位置及工作场地的变化。 2 3 2 工业机器人系统的结构 一个机器人系统，一般由下列四个互相作用的部分组成：机器手、环境、任 务和控制单元，如图2 1 所示 机械手是具有传动执行装置的机械，它由臂，关节和末端执行装置构成，组 合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。 环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件( 可达空间) 所决定， 而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。机器人的固有特 性，由这些自然特性及其环境间的互相作用所决定。 机器人系统中的一些传感器是设置在环境中某处而不是在机械手上面。这些 传感器是环境的组成部分，称之为外传感器。 环境信息一般是确定的和已知的，但在许多情况下，环境具有未知的和不确 定的性质。 任务是环境的两种状态( 初始状态和目标状态) 间的差别。必须用适当的程 序描述语言来描述这些任务，并把它们存在机器人系统的控制计算机中去。这 种描述必须为计算机所理解。随着所用系统的不同，语言描述方式也会不同。 西北工业大学硕士学位论文 图2 一l 机器人系统的基本结构 计算机是机器人的控制器或脑子。机器人接收来自传感器的信号，对之 进行数据处理，并按照预存信息，机器人的状态及其环境等，产生出控制信 号去驱动机器人的各个关节。具体的说在计算机内存储的有下列信息： ( 1 )机器人动作模型，它表示执行装置在激发信号与随之 发生的机器人运动之间的关系。 ( 2 )环境模型，它描述机器人在可达空间内的每一事物。 ( 3 )任务程序，它使计算机能够理解其所要执行的作业任 务。 ( 4 )控制算法，控制算法是计算机指令的序列，它提供对 机器人的控制，以便执行需要做的工作。 2 3 3 工业机器人的分类 机器人的分类方式很多。这里介绍四种分类方法，即分别按坐标形式，机器 人的控制方式驱动方式及机器人的信息输入方式来分。 ( 1 ) 按坐标形式分 坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的方式。 a 直角坐标式直角坐标机器人的末端执行器( 或手部) 在空间位胃的改 9 疆乾王鼗天学硕士学位论文 变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿x 轴的纵向移动沿y 轴的横向移动及沿z 轴的升降，如图2 2a )所示，这种机器人的位 置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构较庞大，动作范 围小，灵活性茬。 z 图2 2 工业机器人的分类 a ) 直角坐标式b ) 圆柱坐标式c ) 极坐标式d ) 关节坐标式 b 圆柱坐标式阙j 主坐标机器人是通过两个移动和一个转动来 实现末端执行器空间位鬣豹霹受交，其手臂的运动由在番直半柱的平面伸缩 辩沿立校的舞降两个奁线运劝及手臀绕巍柱的转动复合而成的，如图2 2b ) 所示。这种梳器入位鬣精袭较高，控制简单，涟障性好，僵结构也 较褒大。 c 极坐标式极坐标式梳器入学臂靛遥动由一个壹线运动和两个转动组成， 1 0 西北工业大学硕士学位论文 即沿手臂方向x 的伸缩，绕y 轴的俯仰和绕z 轴的回转，如图2 2c ) 所示。这种机器人占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有 平衡问题。 d 关节坐标式关节坐标式机器人主要由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕 z 轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节， 大臂和小臂做俯仰运动，如图2 2d )所示。这种机器人工作范围大， 动作灵活，避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制比较复杂。目 前应用越来越多。 ( 2 )按机器人的控制方式来分 a 点位控制( p o i n tt op o i n t ) 采用点位控制的机器人，其运 动为空间点到点之间的直线运动，不涉及到两点之间的移动轨 迹，只在目标点处控制机器人的末端执行器的位置和姿态。这种 控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。 b 连续轨迹控制( c o n t i n u o u sp a t h )采用连续轨迹控制的机器 人，其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整 个运动过程都要控制，末端执行器在空间任何位置都可以控制姿 态。 ( 1 ) 按驱动方式分 a 电力驱动电力驱动是目前采用最多的一种。早期多采用步进 电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机。现在交流伺服电动机 的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运 动，了可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构运动，结构简单 紧凑。 b 液压驱动液压驱动的机器人具有很大的抓取能力，可以抓取 质量达上百公斤的物体，油压可达7m p a 。液压传动平稳，动作 灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配 备一套液压系统。 c 气压驱动气压驱动的机器人结构简单，动作迅速，价格低廉， 由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0 7m p a ，因此，抓取力小，只能抓取重量为几公斤到几十公斤的 物体。 西北工业大学硕士学位论文 ( 3 )按机器人控制器的信息输入方式 a 人操作机械手是一种直接由操作人员直接进行操作的具有几 个自由度的机械手。 b 固定程序机器人按预先规定的顺序、条件和位置，逐步的重 复执行给定的作业任务的机械手。 c 可变程序机器人它与固定程序机器人基本相同，但其工作次 序等信息易于修改。 d 程序控制机器人它的作业任务指令是由计算机程序向机器人 提供的，其控制方式与数控机床一样。 e 示教再现机器人这类机器人能够按照记忆装置存储的信息来 复现由人示教的动作。其示教动作可自动的重复执行。 f 智能机器人采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化， 并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。 2 4 工业机器人的控制 2 4 1 机器人的位置、姿态和路径问题 机器人是一个空间机构，可以采用空间坐标变换原理以及坐标变换的矩 阵解析法来描述各构件之间相对位置和姿态的矩阵方程。 ( 1 ) 位置描述在描述机器人各构件及物料之间的关系时，首先建立 各种坐标系，用位置矢量描述空间某一点的位置。对于直角坐标 系( a ) ，空间任意点p 的位置可用矢量p = x ，+ y ，+ = ，】7 来表 示。 图2 3 方位表示图 ( 2 ) 方位描述为了研究机器人的运动与控制，除了要表示机器人构 件上点的位置，还需要表示该构件的方位。确定构件的方位，应 2 西北工业太学硕士学位论文 先建立一个以该构件为旗础的直角坐标系 b ，阁坐标系( b ) 的三个单健主矢爨握对予参考坐标系( a ) 的方囱余弦鳃成的3 x3 矩阵来表示构件b 相对于坐标系( a ) 的方位，图2 3 是 表零方搜懿坐标关系。 ( 3 )坐标系机器人的执行机构可以着成是由几个独立运动的杆件 激旋转或移动豹芙苇缝藏煞撬梅，在空阗攒述各个梅 串静位置和 方位，需要建立下列坐标系： a 绝对艇标系绝对坐标系是参照工作现场基蕊的坐标系，也是机器 人所有构件的公共参考坐标系。 b 机座坐标系机魔搬标系是参照机器入机座的坐标系，也是机器人 掰有活动构 牛斡公共参考坐标系。 c 构件嫩标系构件艇标系是参照机器人指定构件的坐标系，也是在 德一个活动擒髂上霆定懿璧椽系，蘧擒镣运动嚣器运囊。 ( 4 ) 位姿描述机器人构件的位姿是指在该构件的特征点上( 重心或 死 霹中心) 建立黛标系 b ，在 转 坐标系串捺述的该构释方 位就是位姿。 ( 5 ) 机器入的路径规划 机器人在王作范阑内完成菜一任务，寒端执行器必须按一定的轨迹运动。 首先给定末端执行器运动轨迹上的若干点，将这些点通过运动学反解映 射到关节足 霉室阉中，瓣关繁足 霉空翔孛熬这些攮应点臻立路缀懿数学 方稷，然厝按数学方程对各关节进行捕补运算，从而得到运动轨迹，上 述熬令过程裁是巍器久豹路径嫂麓。 2 4 2 枫器入的操佟分类 机器人的操作可以分成以下几种： ( 1 ) 网络控制：指通_ 谶i n t e r n e t 或i n t r a n e t 来_ l | 茳控或指挥机器人执 亍动佟，攒令酶发送善帮机器人不在瓣一缝方。 ( 2 ) 示教再现控制：措机器人的控制系统可以通过示教操纵愈或手把 手褥凄 筝联痔、运磅速度、证鬻等信息悉一定豹方法鞭患教给麟器入， 由机器人的记忆靛霞将这些信息自动记录在髓机存取存储器( ram ) 、 磁盘等存镄器中，当需黉再魂辩，耋敖存储器中静信惠肉容。如需改变 作业，只需熏新豕教一次。 ( 3 ) 编稔控制；即通过特定的程序语言，将所需执行的任务输入到控 西北工业大学硕士学位论文 制器中。程序通过磁盘绒者网络以ftp 方式变换到计算机中。 2 。5 工业机器人的程序编制 机器入的程序编制是机器入运动和控制的结合点，是实现入与机器通讯的主 要方法，墩是研究人与搬器人系统的凝困难粳最关键的闼题之一。编援系统鸵 核心问题怒操作遴动控制问题。 一套辍器人筑够编稷到赞么程度，决定了憩瓿嚣天戆适应瞧。铡翔，瓿器 人能否执行复杂顺序的任务，能否快速的从种操作方式转换到另一种操作方 式，能否京特定环境中佟窭决策? 掰裔这些淘蘧在很大稼度上都是程露设计掰 考虑的问题，而且与机器人的控制问题密切相关。 概器人系统豹编程麓力极大地决悫了具体的机器入实用功能的灵活性和帮 能稷度。掰一代极器人的进步至少部分的悬出于舞发了掰的软体积发撵控制漤 力的结果。机器人的工作能力纂本上由其软件系统决定的。智能机器人的研究 与开发，就是极嚣入的疆 睾，较终嚣镭毙奏凝结会瓣缝鬃。 2 。s 。1 穗器久编凝静语畜 对不同的工业机器人，各有其特定的编程环境和语言系统。早期的机器人语 言裔v a l 语言，slg a 语富，im l ( i n t e r a c t i v e m a n i p u l a t o rl a n g u a g e ) 语言，a l 语密等。随着计算机的发展，现代的机器人编程谗害已缎进一步发展成 为一种易于理解，易于简单操作的程序语言。 此处以abb 的irb 一140 机器人语言p , a p i 疗为例子说明。 a bb 瓣irb 一140 爨器久撬供了纛耱壤程方式：黜p 弘 方式一：在其特定的编程环境r o b o t s t u d i o 上。在此基础上，可以模拟执行 机器入酶动作，并记录任务及路径，最詹生成胃执行程穿的清擎。反之，亦可 先编制程序，利用r o b o t s t u d i o 的工作环境。调用该程序，进行机器人工作状 态的动态演示，采监控稷序孰漆是否菠确，嬲图2 4 ，但是这个软件价格十分 昂贵。 方式二：是在w i n d o w s 自带的记事本中书写程序，但这种方式的缺点是程序 格式必绥突全正确，否剿，援嚣入控利系绞不憝识剃该程彦。麴憩将承教跫象 的程序直接读入记事本中，然后依其格式，进行修澈亦可创建新程序。 方式三：楚直接在示教器静编程获态编写稷穿。诧方式静侥煮是程侉静移糨 性好，对不同的任务，如果动作相似，只需修改点的位置即能实现。另外，如 1 4 西北工业大学硕士学位论文 果编程格式有误，会自动提示，编程结束还有p r o g r a mt e s t 保证语法合理、正 确。缺点是编程速度慢，输入不方便。 图2 4r o b o t s t u d i o 的编程方式 2 5 2 对机器人编程的要求 枫器人鹤机构和运动与一般的机械不同因而其程序设计也具有特色 进而对机器人程序设计提出特别的要求。在讨论对机器人编程语言结构之 输入传送带i - - - - - j 二围 图2 5 机器人传送零件的简单例子 前，让我们举例说明机器人控制器的工作顺序。图2 5 表示一个柔性制造 裔托王韭夫学硕士学位论文 过程中耀于蠡动上下瓣静瓿器入，它由输入转送带，黯工撬臻、工妲辊器入 和输出传送带组成。传送带的运动由计算机控制，用于传送工件。工业机器 入其有力感手腕，嗣于抓取鞠装卸零件。输入佟送带为机械手提供下一个加 工用零件。输出传送带用予送出加工好的零件。 整个操终过程电杌械手控卷嚣按以下顺序遴霉控制： 1 正件到达固定位置时。传感器检测到信号，让传送带停 建运动。同鞋绘规械等纛热王恚 l i 寐发送傣号d ii 。 2 机械手收到信号d i1 后执行f e t c hp a r t ，即移动到零件 德置，搽取零件蘑，返回，阋对发送信号d o1 绘输入传 送带的控制机构。 3 加工机廉收到信号后，做好工件装夹准备工作，发信号 d i2 绘机攘手。 4 机械手收到信母d i2 后，执行操作m o v e _ m a c h i n e ，即移 动刘攘王极臻，藏鬈王传，发送信号2 绘攘王壤康， 邋回。 5 ， 热王橇寐鸯珏工童俘完簸嚣，发信号d i3 绘梳禳手和输密 传送带。 6 枫械手狡到信譬后执行操作l e a v e _ m a c h i n e ，即取出加工 究成的童件，返回。 7 输出传送带准备好后发出信号d i4 给机械手和输入传遴 豢。 8 机械手收到信号后执行l e a v e _ p a r t ，即将工件放到输出 传送豢土，然菇返嚣。嚣薅绘输入传送繁发出庙麓痞号。 9 遐回执行第一步。 这怒一个工娩税嚣入_ 玎执行豹佟韭任务显然，着糟示教编程 妻术，这 个任务将无法完成。需要一种能处理上述过程描述的机器人编稷语言。 从鼷我们霹以褥出对撼嚣人编撰的要求如下： ( 1 ) 能够建立世界模测( w o r l dm o d e l ) 在遴每援嚣入编糕鞋，黉要一静攒述貔体在_ 三维空溺内运动静方法。存 在具体的几何形式是机器人编程语言最普通的组成部分。物体的所有运 臻都渡相瓣予基坐拣系觞工其搬标来籀逮。辊嚣入语言森警其蠢对整赛 1 6 西北工业大学硕士学位论文 环境的建模功能。 ( 2 ) 能够描述机器人作业 机器人作业的描述与其环境模型密切相关，描述水平决定了编程语言水 平。现有的机器人语言要求给出作业顺序，由语法和词法定义输入语言， 并由它描述整个作业。 ( 3 ) 能够描述机器人的运动 描述机器人需要进行的运动是机器人编程语言的基本功能之一。用户能够 运用语言中的运动语句，规定路径上的点及目标点，决定是否采用点插补 运动或笛卡尔直线运动。用户还可以控制运动速度或运动持续时间。 ( 4 ) 允许用户规定执行流程 同一般的计算机编程一样，机器人编程系统中允许用户规定规定执行流 程，包括试验和转移、循环、调用子程序以至中断等。 对于多计算机应用并行处理是十分重要的。一个工作站经常运用两台或 者多台机器人同时工作以减少过程周期。因此在机器人编程语言中常含有 信号和等待等基本指令，而且往往提供比较复杂的并行执行机构。 通常要由传感器来监控不同的过程。然后，通过中断或登记通讯，机器人 系统能够反映传感器检测到的一些事件。 ( 5 ) 要有良好的编程环境 根据机器人编程的特点，其支撑软件应具有如下功能： a 在线修改和立即重新启动机器人作业需要复杂的动作时间和较长的 执行时间，在失败后从头开始执行程序并不总是可行的。因此，软件 应该有在线修改程序和随时重新启动的能力。 b 传感器的输出和程序追踪机器人和环境之间的实时相互作用常常不 能重复，因此，支撑软件应能随着程序追踪记录传感器输出之