一、概述

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(hù)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)。

二、編程技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況

對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，主要有三類(lèi)編程方法：在線(xiàn)編程、離線(xiàn)編程以及自主編程三類(lèi)。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(xiàn)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，手工示教不但費(fèi)時(shí)而且也難以滿(mǎn)足焊接精度要求，因此在視覺(jué)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(xiàn)示教編程?通常由操作人員通過(guò)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(xiě)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(xiàn)示教的優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)便直觀(guān)。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(chē)車(chē)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(guò)人工示教，在焊接過(guò)程中通過(guò)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(chē)身各個(gè)位置各個(gè)焊點(diǎn)的焊接。車(chē)身機(jī)器人點(diǎn)焊過(guò)程如圖2 所示。但在焊接中車(chē)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(chē)車(chē)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(jué)信息不能完全地反饋現(xiàn)場(chǎng)的情況，采用立體視覺(jué)作為視覺(jué)反饋手段，示教周期長(zhǎng)。激光視覺(jué)傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)***等提出了用于遙控焊接的激光視覺(jué)傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺(jué)顯示遙控示教的缺點(diǎn)。通過(guò)激光視覺(jué)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(xiàn)焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教（見(jiàn)圖3）。

圖3 基于激光輔助示教的遙控操作系統(tǒng)

（3）力覺(jué)傳感輔助示教?由于視覺(jué)誤差，立體視覺(jué)示教精度低，激光視覺(jué)傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。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)***等提出了“遙控焊接力覺(jué)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(jué)傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過(guò)力覺(jué)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(guò)共享技術(shù)和視覺(jué)臨場(chǎng)感實(shí)現(xiàn)人對(duì)遙控焊接遙示教宏觀(guān)全局監(jiān)控。

（4）專(zhuān)用工具輔助示教?為了使得機(jī)器人在三維空間示教過(guò)程更直觀(guān)，一些輔助示教工具被引入在線(xiàn)示教過(guò)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(guò)光電編碼器來(lái)記錄每個(gè)關(guān)鍵的角度。操作時(shí)，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(guò)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(zhuān)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(xiàn)編程技術(shù)

與在線(xiàn)編程相比，離線(xiàn)編程具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少停機(jī)的時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線(xiàn)上工作。②使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境。③使用范圍廣，可以對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程。④便于和CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。⑤可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程。⑥便于修改機(jī)器人程序。

（1）編程關(guān)鍵步驟?機(jī)器人離線(xiàn)編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，通過(guò)對(duì)工作單元進(jìn)行三維建模，在仿真環(huán)境中建立與現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，采用規(guī)劃算法對(duì)圖形進(jìn)行控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。其中關(guān)鍵步驟如圖4所示。圖5 為采用FANUC 公司的Roboguide軟件進(jìn)行離線(xiàn)編程的一個(gè)實(shí)例。產(chǎn)品為大眾汽車(chē)模具的一部分，需要對(duì)其表面進(jìn)行激光熔覆，由于表面較為復(fù)雜，采用人工示教方式確定路徑幾無(wú)可能，故采用離線(xiàn)編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機(jī)器人和模具之間的幾何位置關(guān)系，然后根據(jù)特定的工藝進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線(xiàn)編程仿真，確認(rèn)無(wú)誤后下載到機(jī)器人控制中執(zhí)行，實(shí)踐證明取得了較好的效果。

線(xiàn)編程中的關(guān)鍵步驟

圖5 基于Roboguide的離線(xiàn)編程和仿真

（2）商業(yè)離線(xiàn)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。目前市場(chǎng)上常用的離線(xiàn)編程軟件有：加拿大 Robot Simualtion公司所開(kāi)發(fā)的Workspace離線(xiàn)編程軟件；以色列 Tecnomatix 公司所開(kāi)發(fā)開(kāi)的ROBCAD離線(xiàn)編程軟件；美國(guó) Deneb Robotics 公司所開(kāi)發(fā)的IGRIP離線(xiàn)編程軟件；A B B機(jī)器人公司開(kāi)發(fā)基于 Windows 操作系統(tǒng)的RobotStudio離線(xiàn)編程軟件。

此外日本安川公司開(kāi)發(fā)了MotoSim離線(xiàn)編程軟件，F(xiàn)ANUC公司開(kāi)發(fā)了Roboguide離線(xiàn)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(xiàn)編程仿真，然后將離線(xiàn)編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機(jī)器人中執(zhí)行。

（3）現(xiàn)有離線(xiàn)編程軟件與當(dāng)前需求的差距?由于離線(xiàn)編程不占用機(jī)器人在線(xiàn)時(shí)間，提高了設(shè)備利用率，同時(shí)離線(xiàn)編程技術(shù)本身是CAD / CAM一體化的組成部分，可以直接利用CAD數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，大大減少了編程時(shí)間，這對(duì)于復(fù)雜任務(wù)是非常有用的。

但由于目前商業(yè)化的離線(xiàn)編程軟件成本較高，使用復(fù)雜，所以對(duì)于中小型機(jī)器人企業(yè)用戶(hù)而言，軟件的性?xún)r(jià)比不高。

另外，目前市場(chǎng)上的離線(xiàn)編程軟件還沒(méi)有一款能夠完全覆蓋離線(xiàn)編程的所有流程，而是幾個(gè)環(huán)節(jié)獨(dú)立存在。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的弧焊，離線(xiàn)編程環(huán)節(jié)中的路徑標(biāo)簽建立、軌跡規(guī)劃、工藝規(guī)劃是非常繁雜耗時(shí)的。擁有數(shù)百條焊縫的車(chē)身要?jiǎng)?chuàng)建路徑標(biāo)簽，為了保證位置精度和合適的姿態(tài)，操作人員可能要花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間。盡管像碰撞檢測(cè)、布局規(guī)劃和耗時(shí)統(tǒng)計(jì)等功能已包含在路徑規(guī)劃和工藝規(guī)劃中，但到目前為止，還沒(méi)有離線(xiàn)編程軟件能夠提供真正意義上的軌跡規(guī)劃，而工藝規(guī)劃則依賴(lài)于編程人員的工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

3. 自主編程技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測(cè)量傳感技術(shù)日益成熟，人們開(kāi)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)，在焊接時(shí)作為焊槍的路徑。

圖6 基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主編程

韓國(guó)Pyunghyun Kim 將線(xiàn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)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(lèi)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(xiàn)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

?。?）基于雙目視覺(jué)的自主編程?基于視覺(jué)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(guò)視覺(jué)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(jué)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(jué)控制，引入視覺(jué)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(xiàn)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T C P點(diǎn)的位姿，視覺(jué)傳感器用來(lái)使得機(jī)器人自動(dòng)跟隨曲線(xiàn)，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(jué)、力和位置傳感器的路徑自動(dòng)生成系統(tǒng)

4. 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的編程技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并互動(dòng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維物體融合到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，加強(qiáng)了用戶(hù)同現(xiàn)實(shí)世界的交互。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于機(jī)器人編程具有革命性意義。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬的空間信息，它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)揮了動(dòng)畫(huà)仿真的優(yōu)勢(shì)并提供了現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺(tái)虛擬的飛機(jī)清洗機(jī)器人模型被應(yīng)用于按比例縮小的飛機(jī)模型?？刂铺摂M的機(jī)器人針對(duì)飛機(jī)模型沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而生成機(jī)器人程序，之后對(duì)現(xiàn)實(shí)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定和編程。

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(méi)有真實(shí)工件模型的情況下進(jìn)行機(jī)器人離線(xiàn)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)需要原位接近的時(shí)候該技術(shù)是一種非常有效的手段，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(xiàn)編程技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，比如減少機(jī)器人的停機(jī)時(shí)間，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(xiàn)編程技術(shù)則難以做到。

三、編程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，智能控制，網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)以及大數(shù)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(jiàn)。②基于視覺(jué)、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基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)編程的網(wǎng)絡(luò)化、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(xiàn)編程和真實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)。⑤根據(jù)離線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)編程技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD /CAM、視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、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。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）在線(xiàn)編程方式簡(jiǎn)單易學(xué)，適合應(yīng)用于復(fù)雜度低、工件幾何形狀簡(jiǎn)單的場(chǎng)合；離線(xiàn)編程方式適合加工任務(wù)復(fù)雜的場(chǎng)合，比如復(fù)雜的空間曲線(xiàn)、曲面等；而自主編程或輔助示教則大大提高了機(jī)器人的適應(yīng)性，代表了編程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）在未來(lái)，離線(xiàn)編程技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，并與CAD / CAM、視覺(jué)技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、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。