工业机器人示教器功能分析和发展趋势预测

1、深圳稻草人自动化培训 联为智能教育1. 工业机器人示教器功能分析和发展趋势预测据调研，机器人示教器是工业机器人的主要组成部分，其设计与研究均由各厂家自行研制。著名的公司有：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa安川电机、川崎重工、OTC，德国的KUKARoboter、CLOOS、REISKUKA，美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics、Miler，意大利的COMAU，英国的Auto-TechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，

2、以色列的RobogroupTek公司，奥地利IGM等公司。其中，全球排名前三甲的是ABB、FANUC和KUKA公司。经过与厂家沟通，我们获得了部分资料。1.1. 机器人示教系统的原理、分类及特点针对现代工业快速多变以及日益增长的复杂性要求，继柔性制造、计算机集成制造、精良生产及并行工程，在面向未来工业应用的生产单元中，机器人不仅被要求“不知疲倦”地进行简单重复工作，而且能作为一个高度柔性、开放并具有友好的人机交互功能的可编程、可重构制造单元融合到制造业系统中。这一能力的实现要求现阶段机器人技术整体的进步，示教技术就是其中重要的一项。机器人因为能被编程完成不同的任务而被视为柔性的自动化设备。通过

3、某一设备或方式实现对机器人作业任务的编程，这个过程就是机器人的示教过程。现有的机器人示教系统可以分为以下三类：（1）示教再现方式示教再现（teachingplayback），也称为直接示教,就是指我们通常所说的手把手示教,由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教,如示教盒示教或操作杆示教等。在这种示教中,为了示教方便以及获取信息的快捷而准确,操作者可以选择在不同坐标系下示教,例如,可以选择在关节坐标系(JointCoordinates)、直角坐标系(RectangularCoordinates以及工具坐标系(ToolCoordinates)或用户坐标系(UserCoordinates)下进行示

4、教。示教再现是机器人普遍采用的编程方式，典型的示教过程是依靠操作员观察机器人及其夹持工具相对于作业对象的位姿，通过对示教盒的操作，反复调整示教点处机器人的作业位姿、运动参数和工艺参数，然后将满足作业要求的这些数据记录下来，再转入下一点的示教整个示教过程结束后，机器人实际运行时使用这些被记录的数据，经过插补运算，就可以再现在示教点上记录的机器人位姿。这个功能的用户接口是示教器键盘，操作证通过通过操作示教器，向主控计算机发送控制命令，操纵主控计算机上的软件，完成对机器人的控制；其次示教器将接收到的当前机器人运动和状态等信息通过液晶屏完成显示。示教器通过线缆与主控计算机相连。图2.4.1机器人操作流

5、程控制简图在这种示教方式中，示教盒是一个重要的编程设备，一般具备直线、圆弧、关节插补以及能够分别在关节空间和笛卡尔空间实现对机器人的控制等功能。示教时，如图10所示，当用户按下示教键盘上的按键时，示教器通过线缆向主控计算机发出相应的指令代码（S0）；此时，主控计算机上的主控模块中负责串口通信的通信子模块中的串口监视线程接收指令代码（S1）；然后由指令码解释模块分析判断该指令码，并进一步向相关模块发送与指令码相应的消息（S2）;驱动有关模块完成该指令码要求的具体功能（S3）;同时，为了让操作用户时刻掌握机器人的运动位置和各种状态信息，主控计算机的有关模块同时将状态信息（S4）从串口发送给示教器（

6、S5），在液晶显示屏上显示，从而与用户沟通，完成数据的交换功能。在早期的示教再现系统中，还有一种人工牵引示教2。一般是操作员直接牵引机器人沿作业路径运动一遍，对于难以直接牵引的大、中型功率液压机器人，这种方式并不合适。于是又有人工模拟牵引示教，在牵引的过程中，由计算机对机器人各关节运动数据采样记录，得到作业路径数据。由于这些数据是各关节的数据，因此这种方法又被称为关节坐标示教法。这种示教方法的优点是控制简单，缺点是劳动强度大，操作技巧性高，精度不易保证。如果示教失误，修正路径的唯一方法就是重新示教。这些形式不同的机器人示教再现系统具有如下的一些共同特点：利用了机器人具有较高的重复定位精度优点，

7、降低了系统误差对机器人运动绝对精度的影响，这也是目前机器人普遍采用这种示教方式的主要原因；要求操作员具有相当的专业知识和熟练的操作技能，并需要现场近距离示教操作，因而具有一定的危险性，安全性较差；示教过程繁琐、费时,需要根据作业任务反复调整机器人的动作轨迹姿态与位置，时效性较差。（2）离线编程方式基于CAD/CAM的机器人离线编程示教，是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，使用某种机器人编程语言，通过对图形的操作和控制，离线计算和规划出机器人的作业轨迹，然后对编程的结果进行三维图形仿真，以检验编程的正确性6。最后在确认无误后，生成机器人可执行代码下载到机器人控制器中，用以控

8、制机器人作业。根据使用编程语言的层次不同，离线编程又可分为执行级编程和任务级编程7。（3）基于虚拟现实方式随着计算机学及相关学科的发展，特别是机器人遥操作、虚拟现实、传感器信息处理等技术的进步为准确、安全、高效的机器人示教提供了新的思路，为用户提供一种崭新和谐的人机交互操作环境的虚拟现实技术（VirtualReality,VR）出现和应用尤其吸引了众多机器人与自动化领域的学者的注意9。这里，虚拟现实作为高端的人机接口，允许用户通过声、像、力以及图形等多种交互设备实时地与虚拟环境交互。根据用户的指挥或动作提示，示教或监控机器人进行复杂的作业10。利用虚拟现实技术进行机器人示教是机器人学中新兴的研

9、究方向。1.2. 主流工业机器人示教器和技术方案功能分析1.2.1.ABB公司机器人示教器功能ABB机器人示教器FlexPendant由硬件和软件组成，其本身就是一成套完整的计算机。FlexPendant设备（有时也称为TPU或教导器单元）用于处理与机器人系统操作相关的许多功能：运行程序；微动控制操纵器；修改机器人程序等。某些特定功能，如管理UserAuthorizationSystem(UAS)，无法通过FlexPendant执行，只能通过RobotStudioOnline实现。作为IRC5 机器人控制器的主要部件，FlexPendant通过集成电缆和连接器与控制器连接。而hotplug按钮

10、选项可使得在自动模式下无需连接FlexPendant仍可继续运行成为可能。FlexPendant可在恶劣的工业环境下持续运作。其触摸屏易于清洁，且防水、防油、防溅锡。以下是FlexPendant的主要部件。图表2.8ABB机器人示教器功能列表1.2.2.安川电机MOTOMAN机器人示教器功能过控制台和编程器示教盒可观察或设置机器人的变量信息、系统信息、机器人正在执行中的状态、输入输出信息、参数信息、时间、坐标系、动作循环方式、操作场所模式本地模式或远程模式、动作模式示教模式或再现模式、程序点间的插补方式及再现速度可清除记录包括最后一次信息、和全部信息、返回示教起点、启动运行及紧急制动、打开伺服

11、电源、移动机器人、编辑程序及各种动作文件、解除示教及执行再现。MOTOMAN-ET示教系统是一个典型手把手的示教示教再现系统。如图8所示，操作员通过操纵安装在机器人末端的控制手柄对机器人进行作业轨迹演示，控制手柄上的力/力矩传感器产生相应的输出数据用于机器人控制器驱动机器人向期望的方向运动。其不足是无法确定机器人的最优作业姿态与路径，而且必须加入监测和刹车作为人身保护措施。MOTOMAN公司的机器人无线示教器功能：运行程序、示教程序（手控机器人）、编制程序、状态信息显示等。具体功能如下：1) 启动机器人在远程模式下，操作人员可以通过示教器对机器人进行以下与开始运行有关的操作接通伺服电源、启动、

12、调出主程序、设定循环等；2) 示教程序（手控机器人）操作人员通过对示教器按钮的手动操作遥控机器人，示教器读取和记录操作人员的动作指令，实时将指令发送给控制器，控制机器人的运动，并可让机器人实现再现操作；3) 编制程序在示教模式下，操作人员可通过示教器按键进行程序编码，示教器读取功能键输入的编辑信息，并利用本地编辑器进行编辑和回显；操作人员确认后，示教器将程序发送给控制器；4) 状态显示从控制器获取机器人状态信息，友好的回显到示教器显示屏上。1.2.3.意大利COMAU公司的机器人无线示教器COMAU公司的产品采用IEEE 的802.11a标准。 示教盒与机器人控制单元之间的连接采用了COMAU

13、公司的专利技术“配对解配对”安全程序。该技术提高了操作员在控制区域内的灵活性(不需考虑线缆的铺设)，示教器可通过安全的“热插拔”程序与控制单元进行连接。“多点无线访问M2M”(M2M 为机器到机器、人到机器或机器到人的数据通讯)，只需在每个配备了无线技术的C4G上执行这个安全连接的程序一个示教盒就能够控制多个控制单元。1.2.4.中科院沈阳自动化所示教器图9所示的可以对MOTOMAN-K10S机器人示教的示教盒（由中国科学院沈阳自动化所机器人学重点实验室开发完成）是包含示教再现功能的示教盒。具备直线、圆弧、关节插补以及能够分别在关节空间和笛卡尔空间实现对机器人的控制等功能。1.2.5.新松公司

14、编程示教盒通过串行口与主计算机相联。编程示教盒的外型采用SolidEdge进行三维CAD设计，符合人体工学的标准，大大提高了编程示教盒设计水平。编程示教盒由显示屏、54个按键和急停按钮组成，用单片机进行管理。显示屏采用320x240点阵的LCD图形显示器，可显示13行20个汉字。按键按功能分成以下四组：功能键；轴操作键；程序编辑键；光标、数字键；1.2.6.江西理工大学工业机器人示教盒系统，以8031单片机为核心，由盒体、键盘、显示屏、控制电路等组成。系统软件包括显示、键盘及通讯。示教盒开机上电后，进行8279芯片、串行通讯初始化。初始化成功后显示WELCOM提示信息，随后再进行示教、工作、再

15、现三种模式的选取，并在示教模式下完成对机器人的示教操作。1.2.7.浙江大学机电所基于C/OS2实时操作系统的示教盒软件部分的设计及其实现。主要包括操作系统、GUI界面模块以及通讯模块。硬件平台采用三星公司推出的S3C44BOX(ARM7TDMI 内核) 芯片作为CPU,64Mbit的HY57V641620作为系统的SDRAM,Nandflash为K9F2808,LCD分辨率为640480。键盘接口芯片采用HOLTEK公司的82K628A实现从矩阵键码转变为PS2键码。通信方式采用网络通信，TCP/IP 协议栈由移植的LwIP实现。软件开发环境采用的是Micrium公司的uC/GUI作为图形用

16、户界面的开发库。示教盒操控机械手焊接,需具备以下功能:(1)对机器人的操作:包括示教速度和坐标系的调整、机器人运动控制。(2)焊机参数设置。(3)程序的编写和修改:包括语句的编写、语句插入、语句删除、联合测试、前进后退。(4)文件的操作:包括文件的建立、选择、删除、注册、保存、格式化。(5)与主控器之间的通讯:包括文件的传输,机器人状态信息的获得。(6)错误提示功能:能够对操作者的错误操作以及机器人危险状态提供警报功能,防止机器人损坏,甚至危害操作者的安全。菜单区分为一级菜单区与二级菜单区。一级菜单为主菜单,包括JOB,ARC,ROBOT等菜单,用户可以通过数字键选择需要进行的操作。二级菜单为

17、一级菜单的子菜单。例如在JOB一级子菜单下, 有CREAT、FORMAT等二级子菜单。不同的一级菜单下有不同的二级子菜单。状态显示区提示目前示教系统和机器人所处的状态,包括:坐标系、操作速度、权限、当前状态4个状态图标。焊接机器人的坐标系有直角坐标、关节坐标、极坐标。操作速度有4个等级,具体数值由主控器确定。当前状态有测试、编辑、急停、报警、操作等状态。警报提示区内容包括:操作提示、碰撞传感器、超行程、伺服未启动等信息提示。1.2.8. 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室能够实现机器人常用的示教操作,具有很强的抗电弧干扰能力、友好的人机界面和完备的功能。并且还提供了非常强大的程序编辑

18、能力;克服了传统示教编程器程序编辑功能差、操作灵活性差的缺点。硬件平台采用ICOP6052V的386级的PCP104单板机，108子矩阵标准PC键盘，RS232串行端口，SHARPLM32019T单色LCD（分辨率为320240）。示教编程器软件系统采用BorlandC+集成开发环境，在UCDOS操作系统下进行开发。该软件开发完成后运行在安装了UCDOS操作系统的ICOP6052V单板机上。根据示教编程器的功能需要,该软件主要包括程序管理、程序编辑、串口通信和界面显示四个模块,对应于四个模块,键盘上的键也分为状态更改类键、程序管理类键、程序编辑类键和运动指令类键。图19中程序区显示的就是基于自

19、主开发的混合式弧焊机器人语言HAWRL(hybridarcweldingrobotlanguage) 的机器人运动程序。状态区和菜单的响应显示了当前的状态和菜单操作,由状态更改类键控制。界面显示模块作为人机交互的接口,主要由菜单区、程序区和示教状态显示区3部分组成,采用Windows风格的界面和操作方式。程序管理模块由程序管理类键控制,包括弧焊机器人示教作业程序的打开、新建、保存、关闭等功能。示教作业程序存储在DOC中。程序编辑模块由程序编辑类键来实施。主要功能是对运动程序中的语句进行修改、删除以及程序语句的插入等。串口通信模块采用程序查询方式进行数据的发送与接收,并且通过软握手的方式进行数据

20、的正确性校验。该模块主要由运动指令类键调用,同时也响应程序编辑和界面显示两类键值的调用。该模块的主要功能就是把这些键值、运动程序或握手信号发送给主控计算机以及从主控计算机获得机器人的位姿数据和握手信号。机器人控制器与示教器连接。机器人控制系统软件是基于Windows2000操作系统在VisualC+环境下开发的,主要包括运动控制模块、程序编辑器、位置监控模块、在线指令模块、过程控制模块、焊接模块、示教编程器接口模块、遥操作系统接口模块、离线编程系统接口模块九个部分。1.2.9. 北京机械工业自动化研究所机器人示教盒作为集编程、测试、维护、系统设置等功能于一身的独立系统提出了如下要求：(1) 提

21、供可靠友好的人机接口界面(2) 完成与主机的通讯任务并显示信息及必要的操作提示(3) 应用程序示教、编辑(4) 执行程序测试、监控程序再现(5) 可实现工具参数、主机、外部设备、机器人外部轴参数设置(6) 机器人工作状态、系统状态及错误信息显示采用16MCPU的104总线单片机，320*200点阵式液晶显示器，49键薄膜按键，示教盒上除设有急停开关外，还设计了Deadman开关。在示教程序时，需按下Deadman开关，松开时，机器人停止运动，可保护操作人员及周围人员、设备免遭伤害。在程序编辑和程序再现过程中，Deadman开关不起作用。1.2.10.甘肃工业大学1）硬件方案：示教盒的软件采用模块化设计,它包含主控模块、键盘扫描模块、中断通讯模块和显示模块。示教盒上电以后,它能够通过串口把工控机采集到的变位机运动的位置信息显示在液晶显示屏上,反馈给操作者。键盘扫描内部分的程序采用循环扫描的方式,保证每一个时刻操作者按下的键能够被检测到。当有键按下时,8279会自动识别键号,并送入FI2FO栈中存放,同时产生请求中断信号IRQ 向CPU申请中断。CPU响应中断后, 在中断服务子程序中读出FIFO中的数值, 根据键制判断哪一个键被按下,同时将对应键制的控制指令赋值给指令变量。键盘扫描模块的流