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1、 机器人编程控制研究及定位精度分析摘要:机器人语言是从 70 年代发展起来的，在较早期的机器人语言中，有些是以普通计算机程序设计语言为主体，再加入一些专用的机器人控制指令而成;有些则是由数控语言改进而成.工业机器人是综合了计算机科学技术、机械工程技术、电子工程技术、信息传感器技术、控制理论、机构学、人工智能学、仿生学等多学科而形成的高新技术。在国外工业机器人技术日趋成熟，其己经成为一种标准设备而在工业自动化行业广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的工业机器人公司，工业机器人技术的发展水平也成为一个国家工业自动化水平的重要标志 15.关键词:机器人 控制 精确 定位 发展发展智能装配机器
2、人是当今国际上生产自动化领域的一个重要方面. 装配机器人是近年来工业机器人应用中增长最快、发展势头最猛的品种.它对提高制造业的装配质量和效率、实现装配作业自动化、适应小批量多品种产品的柔性化生产具有重要的促进作用.在国家 863 计划智能机器人主题的研究发展计划中，将“精密装配机器人”定为型号研究项目之一，标是研究开发出“具有多传感器可进行多任务编程和离线编程的高速高精度装配机器人”原型样机.在“精密装配机器人 ，型号研究项目的支持下，成功地开发了“精密 1 号 ，装配机器人 9.1973 年，美国斯坦福人工智能实验室开发出第一个实验性的机器人编程语言 waved 最初的目的是用于研究机器人学
3、的理论问题，而不是用于执行生产任务，它提供了对机器人操作的符号描述，提供了力和力矩的控制，通过接口还可以与一个外部视觉系统相连 5.工业机器人已广泛应用于汽车工业的点焊、弧焊、喷漆、热处理、搬运、装配、上下料、检测等作业.在物流、码垛、食品和药品等领域，工业机器人正逐步代替人工从事繁重枯燥的包装、码垛、搬运作业.工业机器人研究的运动学标定、运动规划、控制等已有成熟的控制方案. 但由于工业机器人是一个非线性、多变量的控制对象，而制造业也对机器人性能提出新需求，机器人的控制方法仍是研究重点，工业机器人技术也朝着智能化、重载、高精度、高速、网络化等方向发展. 结合位置、力矩、力、视觉等信息反馈，柔顺
4、控制、力合控制、视觉伺服控制等方法得到大量研究，以适应高速、高精度 6.。移动机器人的研究可以追溯到 20 世纪 60 年代。斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移机器人 Shakey。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。与此同时以General Electric Quadruped 为代表的步行机器人也研究成功。它能在不平整，非结构化环境中运动。70 年代末，随着计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。特别是 80 年代开始，美国国防部 DARPA 的支助下，由 CMU, Standford 大学等单位开展的 ALV 研究;能
5、源部制定的为期 10 年的机器人和能系统计划，以及后来的空间机器人计纵日本通产省的极限环境下作业机器人计划.当然虽然国外的对这方面的技术很先进但国内的技术近些年也发展的不错.加入 WTO 以后，中国己处于市场全球化的经济环境中，这为中国经济发展带来机遇，也使制造业面临更严峻的挑战。在现代制造业尤其汽车制造业中，焊接技术作为重要的加工手段，占有非常重要的地位曰。焊接机器人在提高焊接质量、降低焊接成本、实现焊接自动化方面扮演着重要角色。传统的工业机器人示教编程工作方式有以下不足 15.机器人在线示教不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要; 复杂的机器人作业，如弧焊、装配任务很难用示教方式完成;运
6、动规划的失误会导致机器人间及机器人与固定物的相撞，破坏生产;编程者安全性差，不适合太空、深水、核设施维修等极限环境下的焊接工作。离线编程技术的出现为上述问题的解决提出了可供选择的方案。与传统的在线示教编程相比，离线编程具有如下优点:减少机器人不工作的时间; 使编程者远离危险的工作环境; 便于和CAD/CAM/Robotics 一体化 ;可对复杂任务进行编程 ;便于编辑机器人程序 1。HRL 语言支持笛卡尔空间 (直线和圆弧)和关节空间(线性和多项式) 的轨迹规划 .并提供相应运动语句结构区别各种轨迹插值，分别如下。PTPMOVE 机器人点位运动，各关节非同步运动;SYNMOVE 关节空间线性插
7、值，各关节步运动;LANEMOVE 关节空间多项式插值;SMOVE 笛卡尔空间直线运动;CIRCLEMOVE 笛卡尔空间圆弧运动;VIAMOVE 控制机器人经过一个途径点且在途径点处不停止，此语句后必须紧跟另一动语句;DRIVE 驱动机器人某一个关节运动;FIRSTPOS机器人返回零位;OPEN 机器人松开夹持器;CLOSE 机器人关紧夹持器;机器人编程语言像一个计算机系统，包括硬件、软件和被控设备。即机器人语言包括语言本身、运行语言的控制机、机器人、作业对象、周围环境和外围设备接口等。机器人编程语言系统的组成如图 1 所示。图中的箭头表示信息的流向，机器人语言的所有指令均通过控制机经过程序的
8、编译、解释后发出控制信号 7。一、机器人编程语言系统的组成机器人编程语言像一个计算机系统，包括硬件、软件和被控设备。即机器人语言包括语言本身、运行语言的控制机、机器人、作业对象、周围环境和外围设备接口等。机器人编程语言系统的组成如图 1 所示。图中的箭头表示信息的流向，机器人语言的所有指令均通过控制机经过程序的编译、解释后发出控制信号 18.控制机一方面向机器人发出运动控制信号，另一方面，向外围设备发控制信号，外围设备如机器人焊接系统中的电焊机以及机器人搬运系统中的空压机等。周围环境通过感知系统把环境信息通过控制机反馈给语言，而这里的环境是指机器人作业空间内的物体位置、姿态以及物体之间的相互关
9、系 2。机器人是一个可编程的机器，其功能的灵活性和智能性很大程度上决定于机器人的编程能力.早期的机器人编程几乎都采用示教再现方式.手段简单、功能有限，对一些需要根据外部信息进行实时决策的应用无能为力.机器人技术的发展，越来越多的机器人采用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的程序控制结构，并通过设计专用的机器人运动控制语句和外部信一号交互语句来控制机器人的运动，从而极大地增强了机器人作业描述的灵活性.但目前的机器人语言的使用仍不方便，这主要体现在:机器人运动中关键位置信息一般仍需通过示教方式获取，若作业要求高精度定位，三维空间目测示教就非常困难;机器人编程和调试都必须在工
10、作现场进行，既影响机器人现场工作，又不安全. 17。下面就让我们了解一下 LEGO 机器人吧，对于像机器人这样的控制系统来说，软件和硬件的关系比较紧密，软件常常对应于特定的硬件结构.LEGO 的硬件系统主要包括机器人控制器一一 RCX 模块化的传感器和结构件攫 RCX 的内部嵌入式系统包括一个日立公司的系列的 M CU H 8 /3292 16K ROM, 5121RAM, 1 dVI H z 片内时钟，两个 8 位计时器，一 16 位自由运行计时器 W DT 全双工串口、可外部触发的 A /D 转换器，计 43 个 Ib 口、8 个输入口户, 32K 的外扩RAM, LCD 及其控制器微型扬
11、声器、电源电路等.微控制器的 ROM 中包含有引导模，固件通过下的方式，保存在外扩 RAM 中的 16K 大小的内存，空间中.其余的空间供用户程序使用 3。传统的示教再现型的弧焊机器人系统已经远远的不能满足现代的焊接作业对于高效率、高精度、小批量、复杂形状以及遥控焊接作业的要求。为此，现代焊接生产技术国家重点实验室开发了开放式弧焊机器人控制系统 OAAWRCS。要使得 OAAW RCS 能够方便地集成各种其它设备以及系统，如焊缝视觉跟踪系统等，OAAW RCS 就必须要为它们提供良好的接口形式。机器人语言提供了一种通用方式来解决机器人与外部设备的通讯问题，同时，机器人语言也是机器人系统先进水平
12、的重要标志之一 4。目前，在国内外生产中应用的机器人大多为不教再现型。即在机器人现场，山操作者将机器人的终端移动至目标位置，并将此位置对应的机器人关节角度信息记录进存储器。然后当要求复现这些动作时，顺序控制器从内存读出相应的位置，机器人就可重复不教时的迹和操作。机器人在线不教编程简单方便，适用于批量生产，所完成的任务简单单一，但是随着机器人适用任务的扩展和所完成任务的复杂程度的提高，在中小批量的生产中，用不教编程就很难实现。其在实际生产应用中存在着如下缺陷.编程占用机器人的作业时间; 很难规划复杂的运动轨迹以及准确的直运动;编程质量取决于编程员的经验，且编程员处于机器人工作空间的危险环境中;机
13、器人系统是一独立的单元，难与其它系统或生产过程实现无缝集成。基于以上原因，现在通用的工业机器人均设有离线编程接口，离线编制的机器人程序可以通过这个接口装入机器人控制器。国外的一些大学和科研机构开发了适用于不同需要的离线编程系统。机器人离线编程是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学，建立机器人及其工作环境的儿何模型，然后对机器人所完成的任务进行离线规划和编程，并对编程的结果进行动态图形仿真，最后将满足要求的编程结果传给机器人控制柜，使机器人完成指定的任务。它有如下特点 .需要机器人系统和工作环境的图形模型 ;编程不影响机器人的工作;可通过仿真试验程序;可实现复杂运动轨迹的编程 8。移动机器人
14、的白定位是机器人学中最为活跃的研究分支之一.其中一种思路是通过分析传感器数据直接确定机器人位姿，如儿何推理、基于变换的全局定位方法等.这些方法无论用何种视觉传感器，都易受噪声影响;如果环境特征过于复杂数据关联问题还存在组合爆炸的可能.文献用主成分分析方法提取环境参考点处图像的整体“外观”特征，并进一步与环境信息库比较给出机器人位姿.虽然不需要抽取图像边缘等局部特征，却易受光线和遮挡干扰，并且还要存储大量的变换矩阵以维持图像和高维特征的映射关系. 10。随着机器人技术的不断发展，机器人所要执行的任务日趋复杂，这种示教方式就不了，例如: 要求机器人执行按顺序堆放物品的操作，此时每一个物品的位置都需
15、要重新用示教方式就很困难，而且这种方式难以使用复杂的传感信息，限制了机器人的灵活性年代以来，一种新的控制方式一一机器人程序设计语言得到了迅速的发展，在该中，用户使用专用的机器人语言来描述机器人的任务和工作环它的主要优点是允许用户离线编程，提高了机器人的工作效率.程序的通用性强，可以从一个机器人移植到其他的同类型机器人上 使用各种传感器( 如力传感器和视觉系统等) ，增强了机器人在复杂环境的灵活性. 程序采用文本语言方式，便于编辑和修改. CA D /CAM 可以通过机器人语言联系起来，实现生产自动化.便于引入专家系统，提高机器人的工作质量. 20.发展智能装配机器人是当今国际上生产自动化领域的
16、一个重要方面. 装配机器人是近年来工业机器人应用中增长最快、发展势头最猛的品种.它对提高制造业的装配质量和效率、实现装配作业自动化、适应小批量多品种产品的柔性化生产具有重要的促进作用.在国家863 计划智能机器人主题的研究发展计划中，将“精密装配机器人”定为型号研究项目之一，目标是研究开发出“具有多传感器可进行多任务编程和离线编程的高速高精度装配机器人”原型样机.在“精密装配机器人”，型号研究项目的支持下，成功地开发了“精密 1 号”，装配机器人 HAW RL 程序的整个执行过程如图所示。首先生成HAW RL 源程序，主要由以下四种途径:(1) 由离线编程系统采用离线示教或离线编程的方式生成;(2)由遥操作系统通过遥示教生成;(3)通过示教编程器进行现场示教的方式生成;(4)通过手动的方式直接用HAW RL 进行编写。当通过以上的方式得到了 HAW RL 源程序以后，把源程序提交给编译解释器。编译解释器首先对源程序进行词法分析、语法分析和语义分析，检查错误，然后将正确的源程序编译解释
