弧焊机器人离线编程系统研究

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南京理工大学研究生学位论文

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弧焊机器人离线编程系统研究

摘要

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本文是在我教研室首次引进日本安川ＳＫ６机器人的设备条件下，在应用的基础上，对弧焊机器人的离线编程系统（主要对典型马鞍型焊缝）进行研究开发，本文主要对ＳＫ６机器人运动学方程问题、工件特征提取及几何建模、空间焊缝姿态规划、焊接参数规划、机器人程序自动生成、机器人图形仿真及通讯

踞黯嘿咒何模型，，，Ａｕｔｏ　ＣＡＤ的二次开发，读取ＣＡＤ图形

文件的信息，建立被焊工件的数学方程（以典型马鞍型焊缝为主），获取焊缝信息，进而建立焊接位置坐标系、焊丝端头方位坐标系、机器人末端坐标系，并对其相互转换关系进行研究，给出转换矩阵。另外，工件的信息也可通过人机交互的方式输入。

建立ＳＫ６机器人运动学方程，这对离线编程的仿真和求关节变量的逆解是至关重要的，本文建立ＳＫ６机器人的杆件坐标系，根据ＳＫ６机器人的关节参数和关节变量，建立齐次变换矩阵，从而推导出ＳＫ６机器人运动学方程，并重点对其逆解问题进行详述。为进一步的研究奠定了基础。

对弧焊机器人姿态优化一次规划的新方法进行探索性研究，将齐次变换技术应用于求焊接的特征参数，首次提出将空间位置焊缝的焊枪姿态规划问题分解为上下坡焊和位置横焊两种简单的独立情况的焊接位置的理想焊枪姿态的权值综合的思想。这两种独立情况的理想焊枪姿态的获得，依据焊接位置、焊枪姿态、焊接参数之间的关系只能是定性的，而无法用一个准确的公式来描述这一特征，提出采用基于专家库的模糊规划的控制策略来实现。

本文对不同位置下的焊缝，在不同焊枪姿态条件下，进行了一系列焊接实验。

并通过马鞍型焊缝的施焊实验对上述思路和计算结果进行了验证。

基于知识库的焊接参数二次规划问题，利用机器人的柔性特点，根据己积累的大量的焊接实际经验，使得焊接参数（焊接电流、电压、焊速、摆动幅度、

频率等）的规划具有更大的实际意义。本文正是利用技术操作人员的经验建立

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南京理工木学Ｔ４Ｒ生尝位鱼立 — — — －

平（船型）焊位置条件下的焊接工艺参数知识库，首次提出在获取焊缝位姿的条件下，基于姿态优化获得的焊枪姿态，对焊接工艺参数进行人工引导的模糊推理二次优化。

机器人程序自动生成和计算机与机器人通讯系统的应用开发，基于上述研究，获取每个被焊位置的焊枪位姿和焊接参数，利用逆运动学方程，获得每个被焊点的机器人关节变量ｓ，　（ｚ＝１－ｓ），进而自动生成机器人程序。基于日文软件ＭＲＣＷＯＲＤ，在国内尚未见应用的情况下，对该软件进行探索性应用，实现了机器人程序在计算机上的仿真，以及计算机与机器人之间的互相通讯。最终实现了计算机离线编程、机器人在线再现的实验验证。而且基于此软件进行了二次开发，构建了机器人、工件及焊枪等工况图。

首次建立了弧焊机器人离线编程系统（ＡＷＯＰＳ），该系统由几何特征提取及建模模块、焊接姿态规划模块、焊接参数规划模块、机器人程序自动生成模块、

机器人仿真及通讯模块等六个模块组成。该系统人机界面友好，并引入了智能性专家知识，使系统自动化程度较高。

最后，对典型的焊缝（马鞍型）进行实焊验证，实验结果表明，

行的，编程的效率显著提高；而且，焊缝焊接质量是较令人满意的

ｏ护“ 是可

关健词：弧焊机器人离线编程几何建模全位置焊

＼

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Ｏｆｆｌｉｎｅ－ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｕｄｙ　ｆｏｒ　Ａｒｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｒｏｂｏｔ

Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＫ６　ｒｏｂｏｔ　ｂｏｕｇｈｔ　ｆｒｏｍ　Ｊａｐａｎ，　ａｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎｐｒａｃｔｉｃｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｙ，　ｏｆｆｌｉｎｅ－ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｒｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｏｂｏｔ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，　ｗｅｌｄ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，　ｗｅｌｄｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，　ｒｏｂｏｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，　ｒｏｂｏｔ　ｇｒａｐｈ

ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｉｎ　ｔｈｉｓ

ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．

Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｔｏ　ｓａｙ，　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｅｃｏｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡｕｔｏＣＡＤ，　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＡＤ　ｆｉｌｅ　ｉｓ　ｒｅａｄ，　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ，ｔｈｅ　ｗｅｌｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｔｈｅｎ，　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄｗｅｌｄｉｎｇ　ｒｏｄ　ａｎｄ　ｒｏｂｏｔ　ｅｎｄ　ｉｓ　ｍａｄｅ，　ｗｈａｔ＇ｓ　ｍｏｒｅ，　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ａｒｒａｙ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｓｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．　Ｂｅｓｉｄｅｓ，　ｗｅ　ｃａｎ　ｉｎｐｕｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ勿ｔｈｅｗａｙ　ｏｆ　ｐｅｏｐｌｅ－－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

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ａｌｌ－ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｅｌｄ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｂ－ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｕｐ－ｄｏｗｎ　ｓｌｏｐｅ　ｗｅｌｄ　ａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓ－ｗｅｌｄ．　Ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｒａｇｅｄｙ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｒｕｌｅｓｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．

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Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｂｏｖｅ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｈａｔ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｗｅｌｄ　ｉｓ　ｔｅｓｔｅｄ　　　　

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Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，　ｉｔ　ｉｓ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｔｈａｔ　ｗｅｌｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ

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Ｔｈｅｎ，　ｗｅｌｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅｌｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　　ｅｖｅｒｙ　ｗｅｌｄｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｏｔ．　Ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｒｏｂｏｔ　ｐｒｏｇｒａｍａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．　Ｔｈｅ　ＭＲＣｗｏｒｌｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｘｐｌｏｉｔｅｄ　ｂｙ　ｇｒｏｐｅ．　Ｒｏｂｏｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．　Ｗｈａｔ＇ｓ　ｍｏｒｅ，　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔ，　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ａｎｄ

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第一章绪论

１．　１离线编程系统的研究背景及现状

１．　　１．１国内外机器人的发展简况

机器人作为２０世纪出现的新名词，是从英文 “ＲＯＢＯＴ”一词译过来的．事实上国际标准化组织（ＩＳＯ）曾于１９８７年对工业机器人下了一个定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机’，，现代机器人学作为一门集机械、电子、计算机、光学、信息与自动控制以及人工智能等为一体的综合技术学科，它的研究始于２０世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展、以及原子能的开发和利用。

由于原子能实验室的恶劣环境要求某种机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于１９４７年开发了遥控机械手，

用于搬运放射性材料。１９４８年又开发了机械式的主从机械手。１９５４年美国的ＤＥＶＯＣ最早提出了工业机器人的思想，并申请了专利，基于此，１９５８年美国的ＣＯＮＳＯＬＩＤＡＴＥＤ公司制作了第一台机器人。１９６２年，美国ＵＮＩＭＡＴＩＯＮ公司的第一台ＵＮＩＭＡＴＥ机器人在美国通用汽车厂投入使用。麦卡锡于１９６８年和他在人工智能实验室的同事报告了有手、眼和耳的机器人的开发情况。这时，其他国家也开始认识到工业机器人的潜力。日本于１９６７年从美国引进第一台ＵＮＩＭＡＴＥ机器人，并成立了人手研究会，于１９６８年开始研制。１９７３年日本产业用机器人工业会（ＪＩＲＡ）创立。到１９８０年，工业机器人真正在日本普及，故称该年为 “机器人元年”。据报道，到１９８４年底，日本己拥有工业机器人六万七千三百台，９２年达３４９，　４５８台，数量占世界首位。苏联从六、七十年代开始开发应用机器人。１９６３年研制成功第一台焊接机器人，１９７２年研制成功监控式具有传感器的机器人，并用于海洋考察。此外，英国、西德、瑞典、瑞士等都有活跃的研究机构，并进行了大量的研究，取得了很大的成果。

我国也从７０年代初开始注重机器人技术的研究。“七五”、“八五”、“九五”

期间，机器人技术一直被列入国家重点科技攻关项目。沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、清华大学等对机器人的相关技术展开了深入的研究，初步掌握了设

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计和制造机器人的核心技术。并相继研制出一批工业机械手投入生产应用。甚至在实验室研制出手眼机器人和仿人行走机器人等达国际先进水平的第二、第

三代智能机器人。但在机器人产业化方面仍远远落后于工业发达国家。

工业机器人的应用范围十分广泛，主要应用于自动化工业部门，其中应用最多的行业是汽车制造业。它首先适于在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物质等恶劣的作业环境下或在一些人所不能到达的范围内使用，同时，也用于完成如装饰、搬运等重复性的枯燥、繁重的任务。国外许多学者都曾预言：到本世纪末，一个国家不拥有一定数量的机器人，就不具备二十一世纪竞争的工业基础。因此，在一些产业部门，大力开发机器人技术、发展国内机器人产业有着重大的技术意义。

１．　１．　２国内外弧焊机器人的发展及应用研究概况　　　　

从工业机器人诞生直到目前，工业机器人使用最多的是在焊接领域，主要部门除汽车行业外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用，这是因为上焊接机器人系统后可获得如下好处：提高产品质量；改善柔性能力；缩短传递时间；改善工作环境；提高企业革新形象和劳动生产率以及降低生产成本。

国外一些发达国家诸如日本、美国、西德、瑞典等己经形成了自己的焊接机器人产业。较典型的机器人产品如ＵＮＩＭＡＴＥ，　ＭＯＴＯＭＡＮ，　ＡＳＥＡ等。并在焊缝质量控制系统、焊缝跟踪系统、离线编程系统以及人工智能、各种控制算法等方面进行了较深入的研究，有些已进入实用化阶段。

世界主要工业国家焊接机器人应用的数量及占工业机器人总数的比例如表１．１所示。从表中可以看出，日本拥有的工业机器人绝对数量和焊接机器人密度都远远超过其它国家，其工业机器人有３４９，　４５８台，焊接机器人所占比例为２９．８％，密度为６８．０。其它国家焊接机器人所占比例也都在３０％左右，甚至有些国家达４０％，　５０％以上。这也说明，那些经济迅速发展的或发达的工业国家，都把机器人用于焊接作为一个主要的方向。

表１．　１　　１９９２年世界主要工业国家及地区焊接机器人数ｆ对比表

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序国别焊接机器人

／（台）

工业机器人

／（台）

焊接机器人

比例（％）密度日本

美国德国

３４９，　４５８

１９，（４８，　０００） ^２）

第二

１１，３９，　３９０

２７．　８　　

（４０）

３０．　２

６８．　０　　

（１１．

１６．　８

名次

１６

梯－队４

３，８４７２，５５９１，６３６１，５１３

　　１７，９０７

１０，　８２１７，　５９８４，　５５０２，　６３２

　　　　　　２，

２９．

３５．

３３．

３６．

５７．

１８．

９．　２５．　８２７．

第－三梯－队

２１７５６．

１０１，０５１１２．　８

１１１２１３１４１５１６

意大利法国英国瑞典西班牙

台湾大陆芬兰奥地利丹麦波兰挪威

匈牙利新加坡

３６２２２５１７３１３２　　１７　　

１０２，

６９３５８４６２７５７６２３７０９０

第－三一梯－队

４０．　５２１．　５３８．　５２７．　６２３．　０　　７．　３　　０．　５

５．

０．　３１０注：美国的数据是根据１９９４年统计的结果推算的：

挽国大陆的焊接机器人台数是１９９６年统计的数字；

焊接机器人密度为１０，　０００名制造工人中拥有焊接机器人的台数．

从中国机械工程学会和焊接协会在％年的调查表明，我国目前使用焊接机器人进行生产的工厂大约有７０家左右，焊接机器人总数达到５００台（包含高等院校及科研单位用的焊接机器人），己建成的机器人焊接机器人柔性生产线５条，

机器人焊接工作站约３００个，国内己具有生产点焊、弧焊机器人设计制造能力的厂家近１０家。在工厂中用作弧焊的机器人稍比点焊的多，分别占５３％和４６％．

这些机器人主要集中在汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里。

从地区看，我国焊接机器人己遍布全国六大地区，但９０％以上集中在东部，

即东北、华北、华东及中南地区，华东是应用焊接机器人最多的地区，占３７％．

从产地来看，目前我国焊接机器人中９４％是从国外进口的，以德国和日本厂家

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生产的为最多，分别占有３９％和３０％的市场份额，而奥地利、意大利、瑞典等欧洲国家制造的焊接机器人占据２４％。国产机器人仅占据６％左右，可见，国产焊接机器人产业化问题圣待解决。

国家 “８６３”计划智能机器人主题 “九五”期间的指导思想是 “把高科技成果向大中型企业转移，以加速机器人的推广与应用，创建我国的机器人产业阵地，形成自主知识产权体系。１９％年７月，“一汽”与 “８６３”智能机器人主题合作开发的ＨＴ－１００Ａ型点焊机器人试制成功。

以中科院沈阳自动化所与沈阳第一机床厂为基础组建的东北机器人集团公司辽宁省工业机器人生产基地。１９９５年研制成功Ｓ　Ｉ－３４８多关节６自由度可用于弧焊的机器人。计划于２０００年形成年产量１０００台的生产能力。

湖北东风汽车装配公司与德国ＫＵＫＡ公司合作于１９％年５月组装了第一台ＫＵＫＡ　１２５ＫＧ点焊机器人。

１９％年９月，首钢莫托曼机器人有限公司成立。该公司由首钢总公司、日本安川电机公司、岩谷产业公司共同投资组建。该公司全面引进安川公司ＭＯＴＯＭＡＮ系列产品技术，在国内组装并在国内外开展机器人生产线的承包工程。

在机器人焊接技术的学术研究领域，国内已有１０余所大学和研究所具有多年从事机器人焊接相关技术的研究历史，如哈尔滨工业大学、清华大学、华南理工大学、上海交通大学、天津大学、哈尔滨焊接研究所、沈阳自动化所等。

在机器人焊接系统、配套设备研制、机器人焊接自动规划、焊缝跟踪传感控制、

焊接过程传感、智能化焊接技术等方面取得了许多达到国际领先水平的学术成果和较高水平的应用技术成果。［２７１

ｌ．１．３开发弧捍机器人离线编程系统的背景及意义　　　　

机器人的一个重要特性就是可编程性，它是机器人区别于一般机械手的重要标志。第一、二代机器人以程序为基础，根据不同的程序来执行各种各样的动作和任务。目前，给机器人编程的方式主要有两大类：在线示教和离线编程。

如图１．　　１。

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　　　　　　图１．１机器人编程的方式

随着机器人的广泛应用，机器人控制中的程序编制问题也越来越引起人们的关注。编程技术随着计算机仿真技术的发展，逐步从传统的在线编程向离线编程甚至自动编程方向发展。

虽然在线示教在点焊、搬运和喷漆等简单无路径要求的任务上得到广泛应用。但这些编程技术仍存在一些严重的不足。主要包括：

①在线编程占用机器人作业时间，机器人一旦进入编程状态，整个生产线都得停止生产，所以生产效率低、生产成本高。

②在线示教技术无法完成十分复杂的机器人运动轨迹，从而限制了机器人的运动范围。

③对工作在有毒粉尘、辐射等环境下的机器人，这种编程方程有害操作者的健康。

④操作者易受到现场环境的干扰，示教一旦有误，就需重新开始。

⑤在柔性制造系统中，这种编程方式使得ＣＡＤ数据库不能连接上。这对工厂实现ＣＡＤ／ＣＡＭＩＲＯＢＯＴＩＣＳ一体化有困难。

对于弧焊机器人，还有以下几个问题：

①焊枪的姿态对焊接质量有很大影响，而在示教时这些参数只能靠操作者肉眼估计，并且对操作者的专业技能较高。这给操作者带来了很大不便。

②在示教过程中，往往需要操作者进入机器人工作区来观察尖端点位置，这带来了潜在的致命危险。

③示教编程几乎无法处理复杂的传感器信号（如视觉），因此，对扩展视觉等新型传感器的焊缝自动跟踪无能为力。

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　　　　　　南〕９４工ｋ塾Ｆ全丝丝主一一一 — — 一

为此，发展了离线编程技术。它与传统的示教再现方式相比具有显著的优越性［１２］，　［１３］，　［１４１。所谓离线编程是指不占用机器人本身的控制器而借助其他计算机，离开机器人作业现场对机器人编程，然后将编好的程序转换成机器人控制器可执行的代码，再通过通讯接口送给机器人控制器。这种编程方式除具有在线编程所没有的优点外，还有以下优点：

①编程不受具体机器人限制，且程序易于修改。

②能够实现多台机器人以及辅助外围设备的编程和协调控制。

③能够实现基于传感器的自规划功能。

１．　１．　　４国内外离线编程和图形仿真系统的研究状况及发展趋势．

国外从７０年代就开始研究机器人离线编程，先后建立了多种离线编程系统和用于离线编程的仿真系统。美国ＭＩＣＨＩＧＡＮ大学开发了一种机器人图形编程

系统ＰＲＯＧＲＥＳＳ［１］，其特点是菜单驱动和光标控制，用２Ｄ图形符号来仿真传

感器和执行部件，以使用户获得更加真实的编程环境。ＣＩＮＣＩＮＡＴＩ公司研制的离线编程系统己成功地控制Ｔ３－７７６机器人末端操作器作出图样［２］［３］　ｅＤＯＭＢＲＥ等人在ＢＦＭ　１８６计算机编制了机器人离线规划的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，其系统功能较强，且有三维构型、图形动画、隐藏线消除等功能［［４］。美国ＣＯＲＮＥＬＬ大学开发了一个通用的交互式仿真系统ＩＮＥＦＦＡＢＬＬＥ［５］，它可容易地建立机器人及其环境模型，且具有运动功能。而ＣＯＭＰＵＴＥＲ公司开发的ＲＯＢＯＧＲＡＰＨＩ具有产业机器人的作业路径、仿真机器人运动及碰撞检查等功能。

国外在焊接机器人离线编程方面也作出了大量的成果。文献［６］中，瑞典Ｍｉｄｆｅｌｄｔ　Ｍ．等人为弧焊机器人独立编程，开发了可在计算机上实现的ＡＯＴＯＭＡＴＯＳ系统，使用ＡＵＴＯＣＡＤ三维自动设计系统程序来输入机器人的操作机工作位置、焊接工艺参数等数据程序包。在ＡＲＬＡ　ＯＬＰ２　ＡＢＢ机器人上应用，编程位置和实际位置误差可小于５ｍｍ。文献［７］中，ＩＷＡＭＯＴＯ．Ｔ等人与一家大的造船厂合作，经过多年研究，开发了一套ＡＭＰ弧焊机器人离线编程系统，

适合于生产小批量产品的需要。

国内的华中理工大学首先用微机开发了机器人离线编程系统［８］，又在此基础Ｌ研制了机器人离线编程系统一ＨＯＬＰＳ［９］。该系统包括机器人语言处理模

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块、运动学规划模块、机器人运动学仿真模块、通信模块和主模块。文中着重阐述了机器人及环境物的几何造型方法和运动仿真的动画技术。ＨＯＬＰＳ系统在微机上对ＰＵＭＡ５６２机器人进行编程，使其走出了多种空间曲线。并成功地应用于汽车车身的喷漆生产线。清华大学研制的ＲＯＢＳＭ１仿真系统可对ＰＵＭＡ５６０及类似结构的机器人进行运动学、动力学轨迹规划，并在此基础上开发了ＲＯＢＳＭ２系统［１０］，它可使用ＳＶＡＬ语言作为输入，增加了三维图形输出和碰撞

检查以及传感器仿真、典型动作和典型任务仿真。浙江大学研制的智能装配机

器人离线编程系统ＡＲＰＳ［１１］，用操作手级的机器人语言ＡＲＬ描述机器人作业，

通过图形仿真调试机器人程序，目标程序和数据通过串行口送至机器人控制器，

并已成功应用于８６３智能精密装配机器人。我校从１９８６年开始研究机器人仿真系统［２８］［２９］［３０］，从最初的ＢＡＳＩＣ语言文字和８０８６汇编语言混合编制的ＧＲＧＳＳ系统，到１９９０年用Ｃ语言开发的ＲＯＢＧＳＳ系统，１９９３，　１９９４年又在此基础上不断完善，开发了ＨＯＬＰＳ离线编程系统。该系统采用模块化设计，具有几何建模、运动学建模、图形示教、简单的轨迹规划、数据通讯等模块整个系统采用菜单式驱动。文献［１５］着重研究了基于ＩＢＭ－ＡＴ微机的机器人离线轨迹规划系统。该软件主要包括机器人和环境物的三维图形的交互式产生运动学和动力学计算、轨迹规划、碰撞检测和图形显示动画。通过设计硬件电路和利用

通讯模块，该系统已成功地用于ＰＴ－３００Ｖ工业机器人的离线轨迹规划。文献［１６１研制了一个基于微机的仿真软件ＭＣＳＳ，该系统能显示机器人及其环境的三维图形，对机器人的运动学问题进行仿真。并对斯坦福机械手进行了仿真。文献［１７］研究了机器人离线编程系统ＨＯＬＰＳ中的机器人语言人机界面。该语言界面采用下拉菜单和弹出式窗口管理，除以键盘为主进行操作外，并配有鼠标操作。文中提出良好的编程环境应具有ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、仿真、与上级计算机和控制器进行通信的能力，并能嵌入障碍物躲避和人工智能求解以使向任务级的机器人语言发展。是一个发展方向。文献［１８］在ＡＰＯＬＬＯ　　ＣＡＤ工作站上研制了机器人图形仿真系统。用实体模型对机器人进行了几何造型，在关节空间和直角坐标对机器人进行了轨迹规划和实体图形仿真，能逼真地再现机器人运动的全过程和其运动特性。该系统对设计研制新的机器人和机器人性能分析是一个有力的工具。文献［１８］研制了基于ＩＢＭ－ＰＣ机的机器人仿真系统ＰＣＲＯＢＳＭ，该系统提供了ＳＶＡ　Ｌ语言、三维示教、三维图显功能，可对机器人运动学、轨迹规

(12)

划、动力学、控制算法、力传感器和典型任务等进行仿真。文献【１９］就弧焊机器人与微机通讯接口提出一种较为方便易行的方法，即通过示教盒的接口电路使示教再现的弧焊机器人转变为可由微机对其实际运行进行控制，为进一步开发研究智能弧焊机器人打下了基础。文献【２０１指出基于传感器的离线编程是离线编程的又一个发展方向，并指出当时是一个空白。文献［２１］依据任务直接路径规划的离线编程思想，介绍了一种弧焊机器人自我示教系统的原理和结构。该系统采用接近觉／力觉组合式触觉传感器作为机器人手指来触摸焊缝坡口，用微机及智能控制系统去采集和处理接触状态信息，从而调整 “手指”的位姿，使其适合焊接作业对焊枪的工艺要求，在辨识的同时记忆轨迹。文献［２４１指出离线编程的发展趋向是将焊接技术与ＣＡＤ／ＣＡＭ技术完美的结合起来。文献［２３１研究了通过对ＡＵＴＯＣＡＤ的二次开发和结构光视觉传感器修正，实现ＣＩＭ，焊接工件的特征造型为离线编程提供了几何信息和工艺信息的完整输入，系统综合考虑了焊接质量、避免碰撞和机器人运动学约束这三个方面的复杂因素，为焊枪姿态编程提供了有力的工具。文献【２习也对这一方向作出了一定的工作。但这有待于工厂产品设计制造全面施行ＣＡＤ／ＣＡＭ后才较方便。

综上所述，机器人离线编程和仿真技术己受到各国的广泛关注，并且己取得了大量的研究和应用成果。但是国外在这方面研究要更深入一些，并且己到实用化阶段。国内在研究方面也作出了大量的成果，但真正实用的离线编程除在装配机器人上应用外，在弧焊机器人上尚未见应用，适于弧焊机器人的离线编程系统，国外己见报道和应用。国内尚处于起步阶段，文献［２６１在综合考虑焊枪姿态参数、运动平稳性、机器人运动学约束这三个方面的复杂因素，提出一种采用遗传算法进行路径规划的方法。

１．　１．　　５多合焊接机器人及外围设备的协调控制问题的背景、意义及研究现

状

从严格意义上讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括机器人本体、机器人控制柜、焊机系统及送丝单元、变位机、工装夹具等部件。

在生产应用中，单台机器人往往不能充分发挥其作用，对于大多数工件，其焊缝总存在有平焊、横焊、立焊甚至仰焊等焊接位置。而这对于焊接质量及焊缝

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成型有很大的影响，若单靠调节机器人位姿来保证获得满意的接头是相当困难的，同时也给操作者带来很大不便。若此时能协调控制变位机使工件被焊处总处于水平的焊接位置，这是非常有意义的。但在含有焊接机器人、变位机或其它联动设备的焊接工作站及具有多台焊接机器人共同工作的柔性焊接生产线上，多机协调运动控制的问题尚待解决。文献［３３］中，林尚扬院士指出，根据目前我国焊接机器人在工厂的应用情况和近期发展需要，下列两项新技术应给予重视。１、焊接机器人的离线编程与仿真技术；２、焊接机器人与外围设备协调运动的控制技术。并指出目前我国许多工厂引进的弧焊机器人有些己具有机器人机器人与变位机协调运动的功能。这对一些空间曲线或较复杂的焊缝可以始终保持在水平位置下焊接，以提高焊接质量，并能一次起弧就连续焊完整条焊缝，以提高效率。但是这些带协调运动控制的弧焊机器人系统都是由外国机器人生产厂事先调好交给企业使用的，国内并不掌握有关技术。而我国自行研制的弧焊机器人目前还没有与变位机协调运动的功能。因此，正当我国开始建立机器人生产企业时，应当及时开发并迅速掌握这种技术，使我国的焊接机器人技术能跟上世界发展的潮流。

１．　２离线编程研究的一般要求及关健技术

１．　２．　１离线编程系统应考虑以下几点（一般要求）

１）所编程的工作过程的知识；

２）机器人和工作环境三维实体模型；

３）机器人几何学、运动学和动力学的知识；

４）基于①、②、③的软件系统，该系统是基于图形显示的，可进行机器人图形显示的，可进行机器人运动的图形仿真；

５）轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限，碰撞的检测规划，机器人在工作空间的运行轨迹等；

６）传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划；

　　　　７）通信功能；

８）用户接口，提供有效的人／机界面，便于人工干预和进行系统的操作；

(14)

南京理Ｃ丝ｅ丝堂鱼丝二一一一— — 一９）偏差修正。

１．　２．　２离线编程系统的主要组成部分

用户接口、机器人系统的构型、运动学计算、轨迹规划（可达空间、碰撞检测（直接检测法即几何求交、扫描体积法、相交计算法、Ｊ函数法））、动力学仿真、并行操作、传感器的仿真、通信接口、误差的校正。

１．　３弧焊机器人离线编程的特点及本文主要研究内容

１．　３．　１弧捍机器人离线编程的特点　　　　

机器人用于弧焊，作为一种复杂的作业，它不仅对机器人的运动学、动力学、

避免碰撞、可达性、灵活性及重复精度有很高要求，而且又有与其它用途机器人不同的特点。这是由弧焊作业过程的的固有特点决定的。具体归纳如下：

①弧焊工件的几何建模机器人要进行弧焊作业，首先要感知工件的几何轮廓及准确的焊缝位置，因为获取这些信息的主要途径有离散编程、弧焊ＣＡＤ　／　ＣＡＭ

以及机器人视觉。但后两者均在研究阶段，前者显然不满足离线编程的快捷性要求。ＣＡＤ　／　ＣＡＭ是通过计算机上ＣＡＤ制出待焊工件的几何造型及焊接技术要求，

自动生成工件轮廓、焊缝位置、姿态及焊接参数信息，以便后续处理。机器人视觉则通过ＣＣＤ或激光等对工件摄像，图像处理及数字变换获取焊接的位姿信息。

②焊枪的姿态优化众所周知，焊枪的姿态对获取空间位置下完好的焊疑有至关重要的影响，人工操作则通过操作工人的经验来实时地保证焊缝质量，而专机则对固定的或单一的工件进行实验而获取适当的不变的焊枪姿态来保证焊接质量。而机器人作为一种柔性的操作手，具有与上述两者不同的特点，它要求根据不同工件的几何信息，通过各种处理手段，获取焊缝上一点的最佳位姿霜求。目前，这些手段主要有仿人的专家知识库引导法、人工神经网络法等。

③路径规划问题焊接过程与其它机加工过程迥然不同，数控的机加工过程虽然也有点对点及连续路径，但它的目的是加工掉工件上多余的材料，获得设

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计的工作形状。而本身没有加工姿态、加工次数和加工次序的要求，即只有加工位置及加工精度的要求，机器人焊接则不同，它严格要求沿焊缝位置点连续、

光顺地进行焊接，且有速度及姿态的要求１．　３．　２本文研究的主要内容

①机器人弧焊几何建模基于Ａｕｔｏ　ＣＡＤ的二次开发，读取ＣＡＤ图形文件的信息，建立被焊工件的几何特征数学方程，进而建立焊接位置坐标系、焊丝（枪）

方位坐标系、机器人末端坐标系，并对其相互转换矩阵进行推导求解。

②建立ＳＫ６机器人运动学方程这对离线编程的仿真和求关节变量的逆解

是至关重要的，建立ＳＫ６机器人的杆件坐标系，根据ＳＫ６机器人的关节参数和关节变量，建立齐次变换矩阵，推导出ＳＫ６机器人运动学方程，并求其逆解。

③弧焊机器人姿态优化一次规划的新方法探索　　　　

将齐次变换技术应用于求焊枪的理想参数，提出将空间位置焊缝的焊枪姿态分解为上下坡焊和位置横焊（详见第四章定义）两种简单而相互独立焊接位置的理想焊枪姿态的权值综合的思想。并提出新的思路来获得这两种独立焊接位置的理想焊枪姿态。

拟最后对上述思路和计算结果通过对典型焊缝的施焊实验进行验证。

④基于知识库的焊接参数二次规划　　　　

由于机器人的柔性特点，根据己积累的大量的焊接实际经验，使得焊接参数

（焊接电流、电压、焊速、摆动幅度、频率等）的规划具有更大的实际意义。

本文正是利用技术人员的经验建立船型焊位置条件下的焊接工艺参数知识库，

首次提出在获取焊缝位姿的条件下，基于姿态优化获得的焊枪姿态，对焊接工艺参数进行基于人工引导的模糊推理二次优化的思想。

⑤ 自动机器人程序生成和计算机与机器人通讯系统　　　　

基于上述研究，利用Ｄ－－Ｈ变换和逆运动学方程，进而自动生成机器人程序。

基于日文软件ＭＲＣＷＯＲＤ，在国内尚未见应用的情况下，对该软件进行探索性应用，

计划实现机器人程序在计算机上的仿真，以及计算机与机器人之间的互相通讯。

最终实现计算机离线编程、机器人在线再现的实验验证。而且基于此软件进行

(16)

了二次开发，构建机器人、工件及焊枪等工况图。

⑥建立弧焊机器人离线编程系统（ＡＷＯＰＳ），该系统应含有几何特征提取及建模模块、焊接姿态规划模块、焊接参数规划模块、机器人程序自动生成模块、

机器人仿真及通讯模块等模块。

最后，对典型的焊缝（马鞍型）进行实焊验证。

(17)

第二章ＳＫ６机器人运动学墓础

ｚ．　｝机器人运动学概述

对一个机器人进行高级编程，就必须首先建立机器人的运动学方程

（Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）。所以机器人的运动学方程，是指机器人操作机

（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）的每个杆件在空间相对于绝对坐标系或机器人机座坐标系的位置

（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）和姿态（Ｏｒｅｉｎｔａｔｉｏｎ　）的方程。此方程是对机器人进行运动学分析的

基础，围绕这个基础，引出了机器人运动学两类基本的问题：

１运动学正问题：该问题是机器人运动学方程的建立过程，即给定各杆件的结构参数和关节变量，利用齐次坐标变换矩阵，求出机器人末端执行器的位姿；

２．运动学逆问题：该问题是机器人运动学方程的求解过程，即已知各杆件的结构参数和满足某工作要求时机器人末端执行器的空间位姿，求出在该位姿时各关节的变量值。运动学逆问题是机器人控制的基础，也是机器人离线编程的关键。逆问题的有解及无解、解的连续及优化，直接关系到离线编程的可行性和正确性。

两类问题的关系如图２．１（ａ），　（ｂ）所示，本文中重点讨论运动学逆问题。

图２．１　（ａ）

杆件参数

节变量ｑ０护一州逆问题卜一叫末端执行器的期望位姿（（ｔ）

图２．１　（ｂ）

图２．１（ａ）．　（ｂ）运动学正、逆问题关系示意２．　２齐次变换技术基础

(18)

＿迪枣些些望些生壑竺二一一 — — — 如果用Ｒｏｔ表示旋转的齐次变换阵，分别绕坐标轴Ｘ，Ｙ，Ｚ旋转。的示意图如

图２．２绕Ｘ轴转动图２．３绕Ｙ轴转动图２．２－２．４所示，其对应齐次变换阵分别为：

图２．４绕Ｚ轴转动

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２．　　３杆件坐标系及基本参数的确定

２．　３．　１建立坐标系　　　　

在杆件的关节上建立坐标系有两种方法，即上关节表示法和下关节表示法。本文取上关节表示法，即：把杆件坐标系固定在每个杆件的上关节处。

建立坐标系的原则：

（１）　Ｚ，轴与Ｊ；，轴线重合；

（２）　ｘ。为Ｊ，．　Ｊ；，，公垂线的远离Ｊ：轴线的方向；

　　　　　　１４

(19)

（３）　Ｙ；轴由右手法则确定。

若两轴线平行，取点任意，但最好是使其坐标原点与下一个杆件的关节参数中ｄ　；＋１为０；

若两轴线相交，只能取交点，但方向任意，最好取Ｘ；＝土ＺｉＸ　Ｚ；＿Ｉ；　　　　

由此如图２．５示，ｎ杆件的坐标系｛ｎ｝设置于ｎ＋ｌ号关节处，并固定于ｎ杆件上，坐标系｛ｎ｝与杆件ｎ无相对运动，坐标系｛ｎ｝的原点在关节ｎ＋ｌ的轴线上；Ｚｎ轴与关节ｎ＋ｌ的轴线重合，正方向由单位矢量Ｘｎ　Ｘ　Ｙｎ指定；

Ｘｎ轴是杆件长度延长线，方向以延长线方向为正向；Ｙｎ轴方向由右手法的原则确定，用以上方法可决定全部杆件的坐标系。对于末端杆件，通常取手部轴心线为ａ轴，正方向与手部接近物体的方向一致。

羌节几关节．＋Ｉ

图２．５杆件坐标系示意图２．　３．　２确定蓦本参数

　　　　　　１）几何参数

杆件的长度ａｎ　　　－－－－一两关节转轴轴线之间的最短距离，即两轴线之间　　　　

公共垂线的长度。当两轴线相交于一点时，特别地规定机座和末端杆件的长　　　　

度为零。对于一端为旋转关节另一端为移动关节的杆件，其长度也为零。　　　　　　　　

杆件的扭角ａ　ｎ　　　　　　　－－－－一将同一杆件的任一轴线向另一轴线移动，使之　　　　

相交，则此二直线决定一个与杆件长度相垂直的平面，此二直线的平面夹角　　　　

就是该杆件的扭角。

　　　　　　２）关节参数　　　　

（１）相邻杆件的相对位置（距离）ｄ，：　　　Ｊ；＿１，　Ｊ．的公垂线ａ，＿ｉ和Ｊｉ＋１．　Ｊ；的公垂线在Ｊ；轴上的距离。

（２）两个相邻杆件的夹角０、：ａｌ＿、与ａ、在Ｊ；轴的垂直投影的夹角

　　　　　　１５

(20)

对移动关节，ｅｉ固定，ｄ：变化，对旋转关节，ｄ，固定，叭变化　　

２　　　Ｄ－－Ｈ法描述

０：可看出是Ｘ，－．轴绕Ｚ，＿，轴线旋转至与轴平行的角度；

ｄ，可看出是｛ｉ－１）坐标原点沿Ｚ；－，轴线平移至Ｘ，轴与Ｊ＝交点处的距离；

ａ，从Ｚ，－，轴与Ｘ，轴交点移至Ｚ，与Ｘ，交点的距离；

ａ、Ｚ，。轴绕Ｘ：轴旋转至Ｚ，轴的角度。

３杆件坐标变换矩阵的建立　　　　

对旋转关节，根据上述模式，我们给所有连杆赋予坐标系，并且可以建立ｎ－１和ｎ坐标系之间的变换关系。

绕Ｚ。一，旋转一个角度Ｂ。；　　　　

沿Ｚ。一，位移一个距离ｄｎ；　　　　

沿着旋转后Ｘ。一，即Ｒ。位移一个距离ａ．；　　　　

绕Ｘ。旋转一个扭转角ａ。。　　　　

上述步骤可以表示成把连杆ｎ的坐标系与连杆ｎ－１的坐标系连接起来的四个齐次变换的积。根据变换的相对性，这个关节称为Ａ。矩阵，即

人＝Ｒｏｔ（Ｚ，氏）Ｔｒａｎｓ（０，０，ｄ）Ｔｒａｎｓ（ａ，，０，０，）Ｒｏｔ（Ｘ，ａ．）

，且卜卜｝八曰）八曰ｒｅｓｅｓｅｓｅｓｅｓｅｓｅｓｅｓ．ＩｌｌｅｓｅｓＬ

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２．　４　　ＳＫ６机器人的运动学方程建立

２．　４．　１建立ＳＫ６机器人的各杆件坐标系

根据上述建立坐标系的原则，对ＳＫ６机器人建立坐标系如图２．６所示。

(21)

图２．　６　　Ｋ６机器人坐标系２．　４．　２　　ＳＫ６机器人的运动学正解问班

ＳＫ６机器人连杆参数如表２．１

坐标变量ａ； ^ａ；ｄ；

１８　，＝００ ^９００ ^ａ１＝１^５^０ ^０

２ｅ　２＝９０＇ ^０． ^ａ^２^＝４５０ ^０

３ｅ　３＝０　０ ^－^９００ ^ａ^３^＝１^１^５ ^０

４ｅ　４＝０． ^９００ ^０ ^山＝８８^５

５ｅ　５＝０． ^－^９００ ^０ ^０

６ｅ　２＝０　０ ^００ ^０ ^０

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即机器人末端坐标系在（ｏ１号坐标系（机器人大地参考坐标系）上的矢量投影。

(23)

则：ｎ，＝

（（ＣＩ　Ｃ２３　Ｃ４十ＳＩ　Ｓ４　／＂５一Ｃ，Ｓ２３Ｓ５）Ｃ６十（（ＳＩＣ／一ＣＩＣ，ＳＪＳ６

（（Ｓ７　Ｃ２３Ｃ４一ＣＩＳ４　）＂＇、一Ｓ，　Ｓ２３Ｓ５　）Ｃ６＋＼－　Ｃ，　Ｃ４一Ｓ１Ｃ２３ＳＪＳ６

＝＼Ｓ２３Ｃ４Ｃ５＋Ｃ２３Ｓ５丸－Ｏ二一（（ＣＡＩＳ５一（（ＣＩ　Ｃ２３Ｃ４十

Ｓ２３凡Ｓ６

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Ｏｙ＝

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ａｙ＝

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Ｐｘ　＝Ｐｙ＝

Ｐ二＝

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十（（ＳＩＣ４一ＣｉＣ２３Ｓ４玖

＋（一Ｃ，Ｃ；一ＳＩＣ２３Ｓ４　）＂６

＼ＣＩＣ２３Ｃ４　＋Ｓｌｓ４／＂５十ＣＩＳ２３Ｃ５

＼ＳＩＣ２３Ｃ４一ＣＩＳ４玩＋　ＳＩＳ２３Ｃ５

Ｓ２３ｑＳ５一Ｃ２３ｑ

叭ＣＳ２３　＋　ａ３砚Ｃ２３十ａ２ｑｑ十ａ，口ｄ４民Ｓ２３　＋ａ３ＳＩＣ２３　＋ａ２Ｓ，ｑ＋　ａ，Ｓ，ａ３又３　＋ａ２凡＋ｄ，一ｄ，ｑ、

２．　４．　３　　ＳＫ６机器人的运动学方程的逆解２．　４．　３．　１运动学方程的逆解棍述

计算机器人逆解的方法通常有以下几种：

１．几何解法

即将三维问题转化为平面上的矢量投影，通过几何关系求取各关节变量的方法。

　　　　　　　　２

３．代数解法－一分离变量法　　　　　　

即将机器人末端的位姿分解为臂部和腕部两部分，因为一般情况下，机器人前三个关节变量仅与机器人末端点的位置有关，而后三个变量与末端点的姿态有关。分离变量法的原则是保证左端仅有一个关节变量，寻找一个恰好右端某项是常数或仅含该变量的等式，依次求出各关节变量。

２．　４．　３．　２机器人末端执行器位！反解

将运动学方程两边分别左乘Ａ，－＇，右乘Ａｌ一Ｉ，得：

弧焊机器人离线编程系统研究

ａ ｓ ｓ 瑟