任务6.2离线编程创建运动轨迹讲解

16.2工业机器人离线编程基础知识6.2.1工业机器人离线编程系统的组成机器人离线编程系统不仅要在计算机上建立起机器人系统的物理模型，而且要对其进行编程和动画仿真，以及对编程结果后置处理。一般来说，一个完善的机器人离线编程系统有多个部分做成，其中主要的组成部分有：用户接口、机器人系统CAD建模、状态检测模块、自动编程、图形仿真以及后置处理等。23如图6-2所示，下面介绍一些主要模块：图6-2工业机器人离线编程系统的组成1．用户接口

机器人离线编程系统的一个关键问题是要有良好的机器人编程环境，便于人机交互，从而帮助用户方便的进行系统的构建和编程操作。因此用户接口是很重要的。工业机器人一般提供两个用户接口，一个用于示教编程，另一个用于语言编程。示教编程可以用示教器直接编制机器人程序；语言编程则是用机器人语言编制程序，使机器人完成给定的任务。目前这两种方式已广泛用于工业机器人。

为便于操作，用户接口一般设计成交互式，用户可以用鼠标标明物体在屏幕上的方位，并能交互修改环境模型。42．机器人系统CAD建模

机器人离线编程系统的核心技术是机器人及其工作单元的图形描述。CAD建模需要完成以下任务：（1）机器人、夹具、工具的三维几何模型（2）零件建模；（3）设备建模；（4）系统设计和布置；（5）几何模型图形处理。5

因为利用现有的CAD数据及机器人理论结构参数所构建的机器人模型与实际模型之间存在着误差，所以必须对机器人进行标定，对其误差进行测量、分析及不断校正所建模型。

随着机器人应用领域的不断扩大，机器人作业环境的不确定性对机器人作业任务有着十分重要的影响，固定不变的环境模型是不够的，极可能导致机器人作业的失败。

因此，如何对环境的不确定性进行抽取，并以此动态修改环境模型，是机器人离线编程系统实用化的一个重要问题。63.图形仿真离线编程系统的一个重要作用是离线调试程序，而离线调试最直观有效的方法是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，利用图形仿真技术模拟机器人的作业过程，提供一个与机器人进行交互作用的虚拟环境。

计算机图形仿真是机器人离线编程系统的重要组成部分，它将机器人仿真的结果以图形的形式显示出来，直观地显示出机器人的运动状况，从而可以得到从数据曲线或数据本身难以分析出来的许多重要信息，离线编程的效果正是通过这个模块来验证的。78随着计算机技术的发展，在PC的Windows平台上可以方便地进行三维图形处理，并以此为基础完成CAD、机器人任务规划和动态模拟图形仿真。

一般情况下，用户在离线编程模块中为作业单元编制任务程序，经编译连接后生成仿真文件。在仿真模块中，系统解释控制执行仿真文件的代码，对任务规划和路径规划的结果进行三维图形动画仿真，模拟整个作业的完成情况。检查发生碰撞的可能性及机器人的运动轨迹是否合理，并计算机器人的每个工步的操作时间和整个工作过程的循环时间，为离线编程结果的可行性提供参考。4.编程编程模块一般包括：机器人及设备的作业任务描述(包括路径点的设定)、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线控制机器人运动以完成作业。

在机器人技术发展初期，较多采用特定的机器人语言进行编程。一般的机器人语言采用了计算机高级程序语言中的程序控制结构，并根据机器人编程的特点，通过设计专用的机器人控制语句及外部信号交互语句来控制机器人的运动，从而增强了机器人作业描述的灵活性。910面向任务的机器人编程是高度智能化的机器人编程技术的理想目标——使用最合适于用户的类自然语言形式描述机器人作业。通过机器人装备的智能设施实时获取环境的信息，并进行任务规划和运动规划，最后实现机器人作业的自动控制。

面向对象机器人离线编程系统所定义的机器人编程语言把机器人几何特性和运动特性封装在一块，并为之提供了通用的接口。基于这种接口，可方便地与各种对象，包括传感器对象打交道。由于语言能对几何信息直接进行操作且具有空问推理功能，因此它能方便地实现自动规划和编程。此外，还可以迸一步实现对象化任务级编程语言，这是机器人离线编程技术的又一大提高。5.状态检测模块近年来，随着机器人技术的发展，传感器在机器人作业中起着越来越重要的作用，对传感器的仿真已成为机器人离线编程系统中必不可少的一部分，并且也是离线编程能够实用化的关键。利用传感器的信息能够减少仿真模型与实际模型之间的误差，增加系统操作和程序的可靠性，提高编程效率。11对于有传感器驱动的机器人系统，由于传感器产生的信号会受到多方面因素的干扰(如光线条件、物理反射率、物体几何形状以及运动过程的不平衡性等)，使得基于传感器的运动不可预测。传感器技术的应用使机器人系统的智能性大大提高，机器人作业任务已离不开传感器的引导。因此，离线编程系统应能对传感器进行建模，生成传感器的控制策略，对基于传感器的作业任务进行仿真。126.后置处理后置处理的主要任务是把离线编程的源程序编译为机器人控制系统能够识别的目标程序。即当作业程序的仿真结果完全达到作业的要求后，将该作业程序转换成目标机器人的控制程序和数据，并通过通信接口下装到目标机器人控制器，驱动机器人去完成指定的任务。由于机器人控制器的多样性，要设计通用的通信模块比较困难。13因此，一般采用后置处理将离线编程的最终结果翻译成目标机器人控制器可以接受的代码形式，然后实现加工文件的上传及下载。机器人离线编程中，仿真所需数据与机器人控制柜中的数据是有些不同的。

所以离线编程系统中生成的数据有两套：一套供仿真用；一套供控制柜使用，这些都是由后置处理进行操作的。146.2.2离线编程创建运动轨迹

如果知道机器人、工具、工件的三维几何模型，可采用离线编程的方法创建运动轨迹。下面介绍利用ABB工业机器人软件RobotStudio采用离线编程的方法完成本项目所要求的运动轨迹。151.创建工件坐标

创建工件坐标也可采用从项目四扩展部分建立的工件坐标同步到工作站，其方法是在“基本”功能选项卡，单击“同步”下拉菜单中的“同步到工作站”的方式。此处不再详述。此处在工件模型已知的情况下，采用一种快捷方式建立工件坐标，具体如下：1617图6-3创建工件坐标（1）在“基本”功能选项卡，单击“其它”下拉菜单中的“创建工件坐标”，如图6-3所示。18（2）在弹出的对话框，“数据”拦下的“名称”内容改为“Wobj”。在“用户坐标框架”拦，点击“取点创建坐标”，选中下拉菜单中的“三点”。如图6-4所示。图6-4创建工件坐标（3）单击“选择表面”和“捕捉末端”，并点击“三点”对话框中的第一个框，如图6-5所示。19图6-5创建工件坐标（4）捕捉如图6-6所示的第一个点，作为X轴上的第一个点。20图6-6创建工件坐标（5）捕捉如图6-7所示的点，作为X轴上的第二个点。21图6-7创建工件坐标（6）捕捉如图6-8所示的点，作为Y轴上的第一个点，并点击“Accept”。22图6-8创建工件坐标（7）单击“创建”，即建立如图6-9所示的工件坐标。23图6-9创建工件坐标2.创建运动轨迹（1）在“建模”功能选项卡，单击“表面边界”，选中“选择表面”，并在捕捉快捷方式中选择“选择表面”，如图6-10所示。24图6-10创建运动轨迹（2）单击所要运行轨迹的表面，在“表面周围创建边界”对话框内显示所选的表面，如图6-11所示，单击“创建”。25图6-11创建运动轨迹（3）“部件1”即为生成的曲线，如图6-12所示。26图6-12创建运动轨迹（4）在“基本”功能选项卡，设定工件坐标为“Wobj1”（前面创建的工件坐标），工具坐标为“Mytool”。并对运动指令及参数进行设定，如图6-13所示。27图6-13创运动轨迹（5）在“基本”功能选项卡，单击“路径”下拉菜单中的“自动路径”，弹出如图6-14所示的自动路径对话框，并选择捕捉工具“选择曲线”。28图6-14创建运动轨迹（6）捕捉选中轨迹的第一条路径，在自动路径对话框显示选中的路径，如图6-15所示。29图6-15创建运动轨迹（7）同样的方法捕捉选中其余轨迹路径，在“自动路径”对话框显示所有的路径，如图6-16所示。30图6-16创建运动轨迹（8）在捕捉快捷方式中选择“选择表面”，并在“自动路径”对话框中的“参照面”内单击，然后单击轨迹的表面，如图6-17所示。31图6-17创建运动轨迹（9）生成的目标点Z轴方向与选定表面处于垂直状态，如图6-18所示。32图6-18创建运动轨迹（10）单击“近似值参数”中的“圆弧运动”。设定近似值参数，然后单击“创建”，如图6-19所示。33图6-19创建运动轨迹对比以上图6-18和图6-19，可看到：选择圆弧运动时，其目标点比较少。这是因为选择圆弧运动，其轨迹会在圆弧特征处生成圆弧指令，在线性特征处生成线性指令，不规则形状时分段线性。而选择线性时，轨迹会为每个目标生成线性指令，圆弧也作为分段线性。34（11）单击关闭，可看到生成的路径“Path_10”，如图6-20所示。35图6-20创建运动轨迹

3.目标点调整

生成的路径“Path_10”机器人还不能直接按照此轨迹运行，会存在机器人不能到达的目标点，因此需要对一些目标点进行调整，其方法如下：36（1）在“基本”功能选项卡，单击“路径和目标点”选项卡，依次展开system12（此处不同的计算机system可能不一致）、T_ROB1、工件坐标&目标点、Wobj1、Wobj1_of，可看到生成的目标点，如图6-21所示。37图6-21目标点调整（2）选中目标点“Target_10”，鼠标右键单击该目标点，弹出菜单中选择“查看目标处工具”，选择本工作站使用的工具“Mytool”，这样可以看到在此目标点处显示出工具的姿态，如图6-22所示。38图6-22目标点调整（3）在图6-22可看出该目标点，以此姿态难以达到，需要改变其姿态，使机器人能够到达该目标点。可选中目标点“Target_10”，鼠标右键单击该目标点，弹出菜单中选择“修改目标”、选择“旋转”，如图6-23所示。39图6-23目标点调整（4）在弹出的对话框内，“参考”选择“本地”，“旋转”选择绕Z轴旋转，度数输入-90，单击应用，可看到该目标点工具的姿态发生了改变，如图6-24。40图6-24目标点调整（5）用同样方法可修改其余的目标点，选中所有目标点（Shift+鼠标左键）后可看到在所有目标点处工具的姿态，如图6-25所示。41图6-25目标点调整4.轴参数配置（1）选中目标点“Target_10”，鼠标右键单击该目标点，弹出菜单中选择“参数配置”，如图6-26所示。42图6-26轴参数配置（2）弹出对话框中选择“Cfg1(…”，单击“应用”，如图6-27所示。43图6-27轴参数配置（3）用同样方法为其余的目标点参数配置，配置完成后，点击配置参数“关闭”，点击“路径”，选中“Path10”，鼠标右键单击“配置参数”、“自动配置”。如图6-28所示。可看到机器人运动，若在目标点机器人位置姿态都能顺利达到，则机器人沿着路径轨迹自动运行一周。若有目标点不能达到，需重新调整工具姿态，参数配置，再次进行自动配置。4445图6-28轴参数配置5.完善程序

为进一步接近工业生产情况，需定义接近加工位置的pA点，以及加工完成后的离开位置pB点，另外机器人在未走轨迹加工之前应处于一个安全位置，此处定义为pHome点。46（1）接近加工位置的pA点定义为相对于起始目标点“Target_10”沿着其点所在坐标的Z轴偏移一定距离。方法为选中“Target_10”点，右键单击，选择“复制”，如图6-29所示。47图6-29完善程序（2）选中“Wobj1”，右键单击，选择“粘贴”，如图6-30所示。48图6-30完善程序（3）单击选中“Target_10_2”点，把名字修改为“pA”，选中“pA”，右键单击，选中“修改目标”、“偏移位置”，如图6-31所示。49图6-31完善程序（4）在弹出对话框中选择“参考”为“本地”，“转换”的第三个框，即Z值设定为-150，单击“应用”，如图6-32所示。50图6-32完善程序（5）对“pA”点进行参数配置，然后右键单击“pA”点，选择“添加到路径”、“Path10”、“第一行”，如图6-33所示。51图6-33完善程序（6）添加到路径后，结果如图6-34所示。52图6-33完善程序（7）同样的方法完成加工完成后的离开位置pB点。选中“Target_100”点，右键单击，选择“复制”。修改名字，偏移位置、参数配置、添加路径到“Path10”中的“最后”。完成结果如图6-35所示。53图6-35完善程序（8）定义pHome点，在“布局”选项卡中，选中“IRB120_3_58_01”，右键点击“IRB120_3_58_01”，在弹出菜单中选择“回到机械原点”，如图6-36所示。54图6-36完善程序（9）在“基本”功能选项卡中，工件坐标选中“Wobj0”，点击“示教目标点”，如图6-37所示，弹出对话框中选择“是”。55图6-37完善程序（10）在“Wobj0”坐标系中生成目标点“Target_110”，将其命名为“pHome”。同样的方法添加到路径“Path10”的第一行，如图6-38所示。同样的方法添加到路径“Path10”的最后一行。56图6-38完善程序（11）选中路径“Path10”的第一行指令“MoveLpHome”，右键单击，选择“修改指令”，如图6-39所示。57图6-39完善程序（12）在弹出对话框，“动作类型”选择“Joint”，“Speed”选择“v300”，“Zone”选择“z30”，更改完成后单击“应用”，如图6-40所示。其他语句指令更改可参考后面的程序。58图6-40完善程序（13）修改完成后，再次为路径“Path10”进行一次轴参数自动配置，如图6-41所示。59图6-41完善程序6.仿真运行（1）在“基本”功能选项卡中，单击“同步”，点击“同步到VC”，如图6-42所示。60图6-42仿真运行（2）在弹出对话框中选择所有同步的内容，单击“确定”，如图6-43所示。61图6-43仿真运行（3）在“仿真”功能选项卡中，单击“仿真设定”，如图6-44所示。62图6-44仿真运行（4）在弹出“仿真设置”对话框中选中“选择任务”的“T_ROB1”，在“可用的子程序”中出现路径“Path10”，点击导入键，路径“Path10”出现在“主队列T_ROB1”，单击“应用”、“确定”，如图6-45所示。63图6-45仿真运行（5）单击“播放”，如图4-46即可执行仿真，可看到机器人运行轨迹。64图6-46仿真运行7.查看程序

在“控制器”功能选项卡中，单击“示教器”，点击“虚拟示教器”，在打开的虚拟示教器主菜单中点击“程序编辑器”可查看程序。也可在“RAPID”功能选项卡中，单击“控制器”，单击“system12”，单击“RAPID”，单击“module1”，可看到的程序如下：

MODULEModule1 !程序模块，名称为默认的Module1。65CONSTrobtargetTarget_10:=[[13.326171875,305.447769165,-10],[0.707106781,0,0,-0.707106781],[0,-1,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];!离线生成的目标点数据，共包含四组数据，分别表示为TCP位置数据，TCP姿态数据，轴配置数据和外部轴数据。

……66CONSTrobtargetTarget_100:=[[13.326171875,305.447769165,-10],[0.707106781,0,0,-0.707106781],[0,-1,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];CONSTrobtargetpHome:=[[547.330619978,0,451.647244244],[0.190808872,0,0.981627207,0],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];!示教生成的目标点数据。67CONSTrobtargetpA:=[[13.326171875,305.447769165,-160],[0.707106781,0,0,-0.707106781],[0,-1,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];CONSTrobtargetpB:=[[13.326171875,305.447769165,-160],[0.707106781,0,0,-0.7071