（机械设计及理论专业论文）工业机器人作业路径规划和离线编程研究.pdf

摘要 工业机器人在我国的应用日益广泛，其编程方式通常是在作业现场通过对实 际作业机器人人工在线示教来完成的，示教所完成的编程质量较低，不能满足作 业要求，这就需要离线编程技术。离线编程不需要对实际作业机器人进行示教， 只需通过计算机存储的c a d 模型，直接生成机器人程序。a u t o c a d 绘图软件在 机械设计及制造中的应用最为广泛。本文主要研究的是针对a u t o c a d 软件绘制 的由直线，圆弧，b 样条曲线任意组成的二维连续轨迹模型，直接生成机器人的 作业程序。本文研究的离线编程软件充分体现了离线编程的自动、快速、准确等 特点，可以很好地应用于工业机器人的弧焊、激光切割、涂胶等作业。 当机器人的作业路径为通过给定点的二维自由曲线时，需进行插值拟舍。本 文详细讨论了三次b 样条曲线拟合a u t o c a d 中的自由曲线的插值方法，对曲线 进行了离散化处理，用许多互相连接的微小直线段逼近自由曲线，并对逼近误差 进行了详细的分析。使得本文研究的离线编程软件能够在工业机器人的作业精度 要求下，自动确定最少的插值节点完成对曲线加工的插值细分。 本文用高级语言从d x f 文件中提取直线、圆弧、b 样条曲线等几何实体的 信息，将这些信息处理成机器人作业所需的点的坐标数值信息，并按照人为设定 的附加点确定的作业次序要求对这些坐标数值信息进行排序处理，着重分析了经 过排序处理的信息如何自动生成机器人可执行文件，并用实例证明了本文研究的 离线编程软件的可行性。 关键词：工业机器人；离线编程；d x f ：插值：曲线拟合 礤互s e a r c 豇0 n w o r x i n g f ，a t hp l a n n i n ga n do f f 夏。i n e p r o g r a m m i n go fi n d u s t r i a lr o b o t a b s t r a c t n o w d a y s ，i n d u s t r i a lr o b o t sa r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi no u tc o u n t r y t h e m e t h o df o rp r o g r a m m i n gi n d u s t r i a lr o b o t si so n - l i n et e a c h i n gi nm o s tc a s e sa n dt h i s m e t h o di s t i m e c o n s u m i n g b e c a u s eo f p r o g r a m m i n g r o b o t s0 ut h e j o b i n i n d u s t r y t h em e t h o do fo n l i n et e a c h i n gc a nn o tf u l f i l lt h ew o r k i n gd e m a n d s ot h e d e v e l o po fo f f - l i n ep r o g r a m m i n gi sn e e d e d t h em e t h o dc a no v e r c o m et h ep r o b l e m s i no n l i n ep r o g r a m m i n ga n di sb a s e do nt h ec a dm o d e l a u t o c a dh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nt h ef i e l do fm e c h a n i c a ld e s i g na n dm a k i n g t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sa r o b o t - p r o g r a m m i n ga p p r o a c ht h a tg e n e r a t e s r o b o tp r o g r a m a u t o m a t i c a l l ya n d e x a c t l yo nt h eb a s i so f2 dm o d e lo fi n d u s t r i a lr o b o tw o r k i n gp a t h a n dt h i s c o n t i n u o u sp a t hm o d e ld r e wi na u t o c a dc a nb ec o m p o s e do ft h el i n e ，a r c ，a n d b s p l i n eg e o m e t r yo b j e c t sa ta n yc o n n e c t i n gt y p e t h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n g s o f t w a r es t u d i e di nt h i sp a p e ri s a p p l i c a b l ef o ra r cw e l d i n g ，l a s e rc u t t i n ga n d a u t o m a t i cp o t t i n gp a s t e r n w h e nt h ew o r k i n gp a t hm o d e lo fi n d u s t r i a lr o b o tc o m p o s e st h ef r e ec u r v e g e o m e t r yo b je c t ，t h em e t h o do fi n t e r p o l a t i o na n ds u b d i v i s i o no fc u r v ei sa d o p t e d i n t h i sp a p e r ，t h em e t h o dw h i c ha p p l i e s3 - o r d e rb s p l i n ec u r v et of i tt h ef r e ec u r v eo f a u t o c a di sd i s c u s s e di nd e t a i l a f t e ra p p l y i n gi n t e r p o l a t i o nt ob s p l i n ec u r v e ，t h e b - s p l i n ec a nb ea p p r o a c h e d b ym a n yp i e c e so fl i n e t h ea p p r o a c h i n ge r r o ri s a n a l y z e di nd e t a i l a n dt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gs o f t w a r es t u d i e di nt h i sp a p e rc a n r e a l i z et h ec o m p u t e ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma u t o m a t i c a l l yu s i n gl e a s tn o d e st om e e t t h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lr o b o tw o r k i n gp r e c i s i o n 。 t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt og e tt h ed r a w i n gi n f o r m a t i o na b o u tt h ep o i n t ，l i n e ， a r ca n db s p l i n eg e o m e t r yo b j e c t sa n dh o wt od e a lw i t ht h ei n f o r m a t i o nb yu s i n g a d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo na c c o u n to ft h es t r u c t u r ea n dc o m p o s eo ft h e m o t o m a nr o b o tp r o g r a ml a n g u a g e w h e nt h e s es t e p sa r ef i n i s h e d ，t h ec o o r d i n a t ed a t a o fp o i n t sa r ec r e a t e d t h e s e q u e n c eo f t h e s ep o i n t sd a t ai sr e n e w e do nt h e f o u n d a t i o no ft h ei n f o r m a t i o na b o u tt h el a b e lp o i n t sm a d eb yt h eu s e r s b e s i d e st h a t ， t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fc r e a t i n gt h em o t o m a nr o b o tp r o g r a ma r ea n a l y z e di n d e t a i l a n dt h er e s u l t so fs o m ee x p e r i m e n t st e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h eo f f - l i n e p r o g r a m m i n gs o f t w a r es t u d i e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t ；o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ：d x f ；i n t e r p o l a t i o n ；c u r v e f i t t i n g 致谢 y - 9 0 6 s 6 8 首先衷心感谢焦恩璋导师多年来在学习、工作和生活上给予的指导和关怀。 从课题的确定到研究方法的选择，焦老师都给了我极大的帮助。在完成毕业论文 的每个阶段，焦老师都不断鞭策和鼓励我，对我的整个研究和设计工作给予了认 真指导。焦老师严以律己、宽以待人的品格给我留下了深刻的印象，对科研工作 的严谨务实、精益求精的态度无疑使学生在今后的学习和工作中大有裨益。在此 衷心祝愿焦老师工作顺利、合家欢乐! 另外，我还要感谢机电学院刘英副教授，徐兆军老师对我的研究工作提供了 热情的指导和帮助。此外，对于自动化系的老师们三年来对我的教育和培养，我 也表示深深的谢意。 感谢在学习工作上给予我默契配合和大力支持的师兄弟。特别要感谢杨雷、 万永志、汪东、戴松新、陈磊、王芳、邱承勋、钱春华、施瑞，徐顺清等同学及 师兄弟，感谢他们在我整个论文写作阶段对我提供的帮助和支持。 最后，我要深深感谢我的家人，感谢他们多年来给予我无私的关爱和支持， 也是我今后不断进取的动力。 徐呈艺 2 0 0 6 年6 月 1 。l引言 第1 章绪论 自第一台工业机器人( u n i m a t e 型) 在美国问世至今已4 5 年了，机器人技 术正在以超乎一般人所预料的速度向前发展。据国外专家预测，2 1 世纪将是机 器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现 “当代最高意义上的自动化”。机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要 技术手段，是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿 生学等多学科而形成的高新技术【6 】，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。 工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就【2 1 。它在提 升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大 作用，并且由于工业机器人是一种对生产条件、生产环境以及产品的更新换代的 适应性和灵活性很强的柔性自动化设备，它的应用大大缩短了新产品的换产周 期，从而提高了产品在市场上的竞争力【3j 。机器人产业是继汽车、计算机之后出 现的新的大型高技术产业。 据国际机器人联合会( i f r ) 统计，世界机器人市场前景看好，从2 0 世纪下半 叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入9 0 年代，机器人 产品发展速度加快，年增长率平均在1 0 左右，2 0 0 0 年增长率上升到l5 ，2 1 世纪初，工作在各领域的工业机器人突破1 0 0 万台。机器人广泛应用于各行各业， 主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。据国际机器人协会 统计，2 0 0 3 年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2 0 0 2 年相比，2 0 0 3 年全 球范围内机器人的订货量增长约1 0 以上。工业机器人的世界市场从2 0 0 2 年的 6 8 6 0 0 台套增长到2 0 0 6 年的9 1 1 0 0 多台套，年平均增长7 4 。世界主要机器人 公司产销情况如表1 所示j 。 我国的机器人起步较晚，但在国家相关政策的支持下，通过“七五”、“八五” 科技攻关，机器人行业在我国迅速发展，一批国产工业机器人和智能机器人产品 在国内各个行业广泛应用 1 3 1 。我国现有机器人研究开发和应用工程单位2 0 0 多 家，其中从事工业机器人研究和应用的有7 5 家。共开发生产各类工业机器人约 8 0 0 台，相关产品的年产销额已近3 亿元人民币 4 】，在机器人的研制生产方面， 我国已具备了初步的规模。从应用情况看，我国的机器人已经逐步走向产业化， 在某些方面与世界机器人技术水平的差距不是很大。但是，从应用的广泛性来讲 我国与日美发达国家相比就有很大的差距【5 1 。 表卜1国外主要机器人公司产销情况 公司名称产销情况备注 a b b 1 9 9 9 年产1 万台共售出 代表处设在上海，1 1 个城 ( 瑞典)9 千台，市场份额约2 0市设分代表处 ，世界第一大机器人 公司 c o m a u 1 9 9 9 年v o l v o 一笔订货与南京汽车厂有合作关系 ( 意大利) s m a r t h4 2 9 7 台，十几家 大汽车厂年订货 ( m a s t l 0 ) 1 0 0 多台 安川电机1 9 9 9 年产5 8 9 7 台，2 0 0 01 9 9 7 年1 0 月与首钢合资 ( 日本)年产7 2 0 0 台，2 0 0 1 年建 成立首钢奠托曼机器人公 8 0 0 0 台生产基地，累计 司 共售出6 万多台，市场 份额约18 ，世界第二 大机器人公司 f a n u c 1 9 9 9 年产5 0 0 0 多台，累北京设有n c 中心( 北京 ( 日本)计共销售5 万多台，生 发那科机电有限公司) ，上 产能力超过1 0 0 0 台月。海设有发那科机器人有限 世界最大c n c 制造商，公司 市场占有率5 0 。世界 第三大机器人公司 松下电器 共销售约4 万台，8 0 年1 9 9 4 年与唐山电子设备厂 ( 日本)代末9 0 年代初曾是世界 合资成立唐山松下产业机 第一大机器人公司，现器有限公司，生产弧焊机 已被挤出前3 名器人 o t c 1 9 9 9 年产2 9 0 0 台，产值中科院沈阳自动化所代理 ( 日本) 1 0 0 多亿日元其产品并做应用工程 k u k a 1 9 9 9 年产5 6 0 0 台，累计代表处设在香港，北京有 ( 德国) 共售出3 万多台，欧洲分代表处，1 9 9 4 年与东汽 第二大机器人公司公司签订转让4 个机型生 产协议 三菱岩田日本最大的专门生产涂 在香港、北京、沈阳设有 ( 日本) 装设备公司，喷枪占日代表处 本市场7 0 ，机器人共 销售约2 万台 2 1 2 机器人离线编程技术概述 在进行工业机器人作业路径规划时，有两种编程方式：在线编程( o n 1 i n e p r o g r a m m i n g ) 和离线编程( o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ) j 。在线编程通常指示教再现 ( t e a c h i n g - - p l a y i n g ) 法，通过示放盒使机器人末端执行器移动到需作业的一系 列位姿上，并依次把位姿信息存储起来，最后编辑并再现示教过的动作。通过示 教盒的示教方法的优点是简单、易实现，应用在只需简单作业轨迹的场合下，大 都用于大批量生产的情况下，如自动线上的点焊、喷涂等。随着作业任务越来越 复杂和应用范围越来越广泛，在线编程满足不了更高的要求，便出现了离线编程 技术。 机器人离线编程可分两类：基于文本的编程和基于图形的编程【9 】【1 0 1 。前者的 早期研究如p o w e l 语言，是一种专用语言，而这种编程方法缺少可视性，在现 实中基本不用它【1 2 】。 基于图形的编程是采用c a d 技术建立起机器人及其工作环境的几何模型， 再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作】，在离线的情况下进行作业 路径规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后 将生成的代码传送到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。 与在线示教编程相比，离线编程具有如下优点 2 4 1 ； l _ 可减少机器人不工作时间，当对下个任务进行编程时，机器人仍可在 生产线上工作； 2 使编程者远离危险的工作环境； 3 便于和c a d c a m 系统结合，做到c a d c a m 机器人一体化： 4 可使用计算机高级编程语言和图形方式对复杂任务进行编程； 5 便于修改机器人程序。 离线编程系统不仅是机器人实际应用的一个必要手段，也是开发和研究任务 规划的有力工具。在设计离线编程系统时应考虑以下几个方面i s 】： 1 机器人的工作过程知识； 2 机器人和工作环境三维实体模型； 3 机器人几何学、运动学和动力学知识； 4 基于图形显示和可进行机器人运动仿真的关于上述1 ，2 ，3 的软件系统； 5 轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限，检测碰撞，规划机器 人在工作空间的运动轨迹等； 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，进行从离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜 的通讯； 8 用户接口，提供有效的人机界面，便于人工干涉和进行系统的操作。 1 3机器人离线编程发展概况 关于机器人离线编程系统【l ，国外在7 0 年代末就开始了对它的研究。早期 的离线编程系统都因为功能不完备而不能方便使用。在众多版本的机器人仿真与 离线编程系统中，由以色列 r e c n o m a t i x 公司在1 9 8 6 年推出的r o b o c a d 机器人 计算机辅助设计及仿真系统最具代表性【l 5 j 【16 1 。它是运行在s g i 图形工作站上的 大型机器人设计、仿真和离线编程系统。但这些传统的机器人离线编程系统的分 析、设计、实现和编程的方法都是面向过程的，存在着许多不足。面向对象方法 被认为是能解决上述问题的最有效的方法，并已在许多领域取得了令人信服的成 果。目前已经商品化的工业机器人离线编程系统有法国d a s s a u l t 公司开发的大型 c a d c a m 应用软件c a r l av 4 1 1 5 。除此之外，其它研究仍局限于工业机器人离 线编程中的部分关键问题上。从总体上看，工业机器人离线编程技术尚不成熟， 国外大都处于研究阶段，只有其中的一些单元技术已经或正在趋于成熟。 在国内，熊有伦院士主持了“微机的机器人离线编程系统h o l p s ”的科研 项目，对该项技术进行了深入研究，已取得阶段性成果。近年来，国内外许多大 中型企业都装备了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。同时，c a d c a m 技术已趋于成熟，其高效便捷的建模手段和集成技术，使之成为工业机器人编程 中的有力工具。这些设备和系统为工业机器人的离线编程技术的研究和推广提供 了基本的硬件和软件条件，使离线编程的实用化成为研究重点【7 j 【”7 i l l s 。自二 十世纪八十年代中期以来，我国的一些大学和研究所如清华大学、华中理工大学、 沈阳自动化所、哈尔滨工业大学和北京工业大学等多家单位做了大量的离线编程 研究工作 2 5 - 2 9 ，但多数是针对装配、搬运等用途的机器人 2 3 1 。 1 4 本文研究的主要内容 日本y a s k a w a 公司开发的m o t o m a n - - u p 6 机器人是属于多关节型伺服 驱动的六自由度机器人。m o t o m a n u p 6 机器人系统由变压器、控制柜，示教 盒和机器人本体组成，主要配套软件有r o t s y ( r o b o t0 f f - l i n et e a c h i n gs y s t e mo f y a s k a w a ) 1 1 9 1 2 0 1 和m o t o c o m 3 2 【2 1 1 ( 数据通信与运动控制软件) ，u p 6 机器人 在工业上可用于点焊、弧焊、切割、搬运、涂胶等工作。 r o t s y 软件的主要功能是在离线的情况下对简单的作业路径进行动态图形 仿真并生成机器人作业文件j b i 格式或者是由机器人作业文件进行动态图形仿 真，调试机器人可执行文件。通信软件m o t o c o m 3 2 是将最终确定的机器人作 业文件通过主控计算机下载到控制柜控制机器人自动作业。在r o t s y 软件对某 一作业路径进行动态图形仿真时，针对的是简单且规则的作业路径，如直线或者 圆弧。而对于复杂不规则的路径，如自由曲线，r o t s y 软件的离线示教编程显 的很繁琐，甚至无从下手，并没有体现离线编程的自动、快速的特点。所以本文 主要研究的内容是用高级语言编写程序，根据a u t o c a d 绘制的二维作业路径模 型，自动、快速、准确的直接生成机器人作业文件。这样能提高编程的效率，真 正体现离线编程的优点，更好的适用于机器人切割、焊接、涂胶等作业。图1 1 的虚线部分是本文研究的离线编程软件所完成的主要功能，本文研究的主要内容 如下： 1 研究的首要前提是掌握机器人可执行文件j b i 格式，d x f 文件的格式。 2 在作业路径c a d 模型( 主要针对圆弧、直线和b 样条曲线任意组成的连 续的二维不规则作业路径模型) 的d x f 格式文件中提取数据信息并对提取 的数据信息加以处理以便生成作业轨迹坐标数据。 3 按照作业要求进行作业路径的规划。 4 将c a d 模型的坐标系中的数据转换为机器人实际作业坐标系的数据。 5 由上述第4 步得到的数据生成机器人可执行文件以便传送到控制柜。 i 工 f 业 馨 机 提人 l 器 器 篮 坐 曩器 1 人 路 蘩 耍 鑫 i 作 虢 划 换 奏| 摧 i 业 i 路 薮 径 据 模 型 图1 - 1 机器人离线编程软件所完成的主要功能 第2 章m o t o m a n - u p 6 机器人运动学分析 工业机器人可以看作是由一系列用关节( 运动副) 联在一起的构件所组成的 具有多个自由度的开链型空间连杆机构。它由若干个构件用转动关节或移动关节 串接而成，u p 6 机器人都是由转动关节串接而成，如图2 1 所示。开链的一端 固定在机座上，另一端则是末端执行器口”。机器人运动学研究的是这些连杆运 动的几何关系，具体来说是末端执行器的直角坐标空间与机器人关节空间坐标之 间进行相互转换的关系。 图2 一】u p 6 机器人转动关节示意图 2 1 机器人运动学数学基础 圈 p t ， 其中，n ，p ，p ：是点p 在坐标系 a 中的三个坐标分量4 p 即为位置矢量。 物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为了规定空问某刚体b 的方位，设一直角坐标系 b ) 与此刚体固接18 1 ，用坐标系 b 的三个单位主矢量 ，y b ，z 。相对于坐标系 a 的方向余弦组成的3 3 矩阵 6 cco。s5(y。；yy；j；。co。s5(y耋i!； c2-cos(zyc o s ( z z ，) ，z ，) i (2 ) ，)，z ，) | 来表示刚体b 相对于坐标系 a ) 的方位。和称为旋转矩阵。上标a 代表参考坐 标系 a ) ，下标b 代表被描述的坐标系( b 。由式( 2 - 2 ) 可知，方向余弦的三列 元素表示坐标系 b 的坐标轴x ，y ，z ，上的单位矢量在 a 坐标系中分别依次沿三 个坐标轴z ，z 上的分量。 根据直角坐标系中坐标轴正交的特点：三个列矢量都是单位矢量，且双双互 相垂直。方向余弦有如下性质： ( 1 ) 嵋+ + = 1 ； 1 ；+ 唛+ = l 1 ；+ 吃+ 磅= 1 ( 2 ) 1 l _ 2 + ，2 1 吒2 + 吩i r 3 2 = 0 所以；月旋转矩阵为正交矩阵，便有： ；r 。1 = ：r 7 ；恻= 1 对应于轴工，y 或z 作转角为0 的旋转变换，旋转矩阵分别为 地刨怔0 ；：蚓0 置 印2 i c o s ：1 0 口：0 。s ：i n o 口 i r ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 一s i n o o q c 。s 口 oj ( 2 6 ) 0 1 j 上面讨论了用位置矢量描述点的位置，用旋转矩阵描述刚体的方位。对于工 业机器人位姿变换的描述，根据d e n a v i t 和h a r t e n b e r g e 提出的通用方法，将旋 转矩阵和位置矩阵联合起来联合构成了4 x 4 阶矩阵： 、 0 0 叶 阮 傩 c c c 。l = 1，j ；吩岛嘞ki 吒 l 一一 1 - jb z 口 y 8l p = 足 j 8 口p 宝_ 璺0 c s l = j 目孑 ( r ，1 i_ 23 p ， 吒lk 屹3p y 弓l码2 吩3 p y o0 01 2 2 m o t o m a n - u p 6 机器人运动学 2 2 1 m o t o m a n u p 6 机器人运动学正解 ( 2 7 ) u p 6 工业机器人的末端执行器的位置是由前三个关节确定，而后三个关节确 定了末端执行器的姿态。当机器人操作机的结构参数已确定，又已知各关节的运 动参数，便可确定机器人末端执行器在机座坐标系下所处的位置和姿态，这就是 机器人运动学的正问题。 在机器人连杆机构的每个连杆上固接一个坐标系工，一y ，一z ，由前面提到的 机器人运动学数学基础中的位姿几何原理可知可用4 4 齐次坐标变换矩阵来描 述这些坐标系的相对位置和姿态。图2 2 是u p 6 机器人各关节电机脉冲值为零时 的连杆坐标系示意图，对应的连杆参数如表2 1 ，其中机座坐标系为x 0 一一， 与机器人基坐标系一致。z 轴取杆件i 与杆件f + 1 副的轴线方向，而x 轴则取沿 相邻两z 的公垂线方向。杆长凰是沿x i 轴从z 。轴量至毛轴的距离，规定与x ，轴正 向一致的距离为正。偏距d ，是沿z 。轴从x 。轴量至x ，轴的距离，规定与= 。轴的 正向一致的距离为正。扭角口。是绕置轴从z 。轴量至z 。轴角位移，规定从而轴方 向观察逆时针方向的角位移为正。转角只是绕z 。轴从z 。轴量至t 轴的角位移， 规定从= 。轴方向观察逆时针方向的角位移为正【2 “。 任一坐标系x i y 。一：相对于机座坐标系的位姿可表示为 ：i ：r i - i ，r ( 2 - 8 ) 其中：r 是由四个参数杆长h ，、偏距d ，、扭角吼和转角b 所确定的两相邻坐标系 的齐次变换矩阵 i0 0 s q - s i n o , m s q 血q 血q 审= l 警篙g 絮亨q 1 000 。b 曰 乓血日 d l ( 2 9 ) 图2 - 2u p 6 机器人连杆坐标系示意图 表2 1 u p 6 机器人的连杆参数 杆件编号 8 ( 。) 关节变量范围( o )口，( 。) 髓( r a m )d ( r a m ) 0 1o 岛卜1 7 0 ，+ 1 7 0 】 9 0a = 1 5 00 1 2- 9 0 0 2 【- 9 0 ，+ 1 5 0 】 o _ l k = 5 7 0 0 2 30 0 3 卜1 7 0 ，+ 1 9 0 9 0 髓= 1 3 0 o 3 4o 只卜1 8 0 ，+ 1 8 0 】 9 00以= 6 4 0 4 59 0 0 3 【_ 4 5 ，+ 2 2 5 】 9 0oo 5 60 纯卜3 6 0 ，+ 3 6 0 】 0o 哦= 9 5 由上述建立的m o t o m a n u p 6 机器人连杆坐标系和已知的连杆参数后，各 个坐标系之间的齐次坐标转换则为： 9 o r = 7 = c 1 o 墨0 0 1 00 一s 1 啊c l c 1 啊s l 00 ol c 30 一j 3 岛c 3 s 3 0 c 3呜邑 o一10o 00o1 c 5 0 s 5 0 01 oo s 5 0 一。5 0 00 o1 曩= ? = = c 2一s 2 s 2c 2 00 0 如c 2 0 5 2 10 c 6 一s 6 0 0 s 6 c 6 00 00l d 6 o oo1 说明：q 代表c o s 0 ，s , 4 弋表s i n q ；c 2 代表c o s 吼，s ：代表s i n8 2 ：c 3 代表c o s 0 3 ，s ，代 表s i n 0 3 c 4 代表c 。s 0 4 ，代表s i n 0 4 ；c ，代表c o s 0 5 ，s 5 代表s i n 0 5 ；c 5 代表c o s 0 6 ， 乳代表s i n 0 6。 则机械接口坐标系相对于机座坐标系的位置和姿态可用矩阵来描述3 m 0 7 = ：t ；t ；t ：ts 。t = 疗jo x n y0 y n z d z oo a j p j n yp y a z p z o 1 ( 2 1 0 ) 从机座坐标系到工具坐标系的变换矩阵，即机器人运动学正解为 = 穿= 7 罗芗芗箩 ( 2 - 1 1 ) 其中：t 是从工具坐标系到机械接l i 坐标系的变换矩阵，在进行作业时，末端执 行器一般是固定在机械接口上的，即是固定的，没有相对旋转变换，位置变 换因实际作业时的工具而异。所以本文讨论的机器人运动学是从机座坐标系到机 械接口坐标系的变换，这足以说明问题了。 当日p 6 机器人各个关节脉冲值为零时，即o l = o ，0 ：= 一鲁，0 3 = 0 ，0 4 = 0 ， 0 5 = 一要，0 6 = o 的时候，7 计算结果如下 1 0 o o 出 n 勘“0 o o o o 0 o o q o o ：丁= ：丁i r ? ：丁芗：r = lo o一1 o0 oo 07 9 0 0o 一16 0 5 ol ( 2 1 2 ) 与实际中u p 6 机器人机械接口坐标系相对于机器人基坐标系的位姿一致。 2 2 2 m o t o m a n u p 6 机器人运动学逆解 当机器人末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态给定时，由此来计算相应 的各个关节变量的值，这一过程便称为运动学逆解，如公式( 2 13 ) 。运动学正 解是唯一确定的，即已知机器人各个关节的变量，末端执行器的位姿便确定了。 而运动学逆解比较复杂，一般具有多组解，必须考虑机器人实际操作的可能如运 动范围、避障等情况选择合适的解，也有可能不存在解。 运动学逆解的计算方法大致分为三种：代数法，几何法，数值法，这里只简 述代数法的思路。 穿= 由( 2 一1 3 ) 式可得 由上式可知 ? r - ： q n yo y ，z ：0 ： 00 d xp x a yp y n ：p z o1 = ：- t2 i t 2 3 t 4 s - t4 5 - t 酽s t ( 2 13 ) ? 4 34 ，丁= ：t 。1 ：t 1 穿。 c o s o , 一s i n o , c o s 晓 s i n a , s 协晓 o s i n 醴 c o w , c o s 岱 一c o s 谚s i n a i 0 q 置0 电 o01o 1q 00 o0 ol 0 咄 s i n c 一d , s i n a , c o s q - a , c o s q ol 扩1 = 呸岛 吨c 2 00 00矧 ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) ( 2 - 1 4 ) 式的左边 芗狰= c 3 q q + 与q 墨 邑c 4 喀一c 3 s s 飞& 巧弓_ 弓 00 ( 2 - 1 5 ) 式的右边 矿r 穿5 6 1 = 悟 s 6 00 c 6 00 0 l _ d 6 o 0l 岛q 邑- s 3 c 5 s 3 c ：5 + g c 5 - s 4 q 0 f 1 1 如 白k 岛- o0 蛔一鹅 历辱十弓 0 1 3 缸 乞匕 k 01 其中 1 = ( c 1 c 2 n x + s l c 2 n y s 2 n z ) c 6 一( c l c 2 0 x + s i c 2 0 v 一$ 2 0 z ) s 6 t 1 2 = ( c l c 2 y t j + s l c 2 ，z y s 2 1 l z ) s 6 + ( c l c 2 0 + s 1 c 2 0 y s 2 0 z ) c 6 t 1 32c 1 c 2 a j + s 1 c 2 a v 一$ 2 a z t 1 4 。一( q c 2 a 。+ c 2 a ，一s 2 a z ) d 6 + c i c 2 p ，+ s i c 2 p v s 2 p ：一7 砭一啊c 2 t 2 12 一( q s 2 n j + s i s 2 n y c 2 n z ) c 6 + ( c 1 5 2 q + s i s 2 0 ，+ c 2 0 z ) 吒 t z z2 一( c t s 2 n x + s 1 s 2 n y c 2 n z ) s 6 + ( c l s 2 0 j + s i s 2 0 y + c 2 0 z ) c 6 乞32 一c l 是a x s l s 2 a v c 2 a z t 2 42 ( c i s 2 a x + s i s 2 a ，+ c 2 a z ) d 6 一c l s 2 p j s 1 s 2 p v c 2 p z 十红s 2 毛l 。( 一j 1 以+ q ，2 ，) 一( 一q + q o y ) s 6 岛2 = ( 一s 1 ，k + c l 凡y ) s 6 + ( 一s 1 0 x + c 1 口v ) c 6 t 3 32 一s l a + c l a y 乞42 一( - - s l a ；+ c l a v ) d 6 一曲p ，+ c l p v ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 令矩阵方程( 2 14 ) 左右两边对应项分别相等便可得到所有的关节变量的解， 即为运动学的逆解，当存在多解时，则应采用某些判定准则，以便选择其中的一 个解，常用的判定准则是选择最接近解m 1 。当末端执行器由前一个点向后一个 点位运动时，达到后一点的位姿有多解时，可以选择最接近前一点解的位姿，即 选择关节变量解最靠近前一点的关节变量值。 1，j 2 3 本章小结 本章从工业机器人运动学数学基础出发介绍了本文实验平台m o t o m a n - - u p 6 机器人机构运动简图及其运动学正解原理，简要概述了其运动学逆解代数法 的思路。 第3 章i ) x f 图形交换文件结构 a u t o c a d 绘图软件在机械设计及制造中是应用最为广泛的软件之一，所有 的c a d c a m 系统都具备与a u t o c a d 接口的功能，这些接口方式是通过图形数 据文件来实现的。图形数据文件以一定的格式，按照定的顺序记录了图形的全 部信息。d x f 文件是a u t o c a d 与外部环境联系的主要接口方式之，可以由 a u t o c a d 内部的图形文件( d w g 文件) 自动转换，d x f ( d r a w i n ge x c h a n g ef o r m a t ) 文件为图形交换文件，把有关的图形的所有信息按规定格式编写成a s c h 文件， 可供高级语言编写的应用程序调用，是c a d 领域的工业标准之一。d x f 文件中 的信息提取后可用于数控编程等用途，但用于工业机器人编程并不多见。提取机 器人的作业路径模型中d x f 格式的信息，再生成机器人的可执行文件j b i 格式， 是机器人离线编程的重要途径。 3 1d x f 文件格式总体结构 d x f 文件是由成对的整数代码和与代码关联的值组成的，a u t o c a d 将代码 称为组码，组码是一个非零的正整数，代码关联的值称为组值，每个组码和组值 都各占一行。组码和组值定义了具体的对象或图元，组值在紧接着组码行的下一 行上，每个组码所对应组值的数据类型是固定的，不可以混用，组码和组值合起 来就表示一个数据的含义和它的值，组码对应的组值分别为整形，浮点整数或字 符串型。 完整的d x f 文件由六个段和结束标志组成，每段都是以组码0 和一个相应 组值s e c t i o n 开始，接着是组码2 和表示段名称的组值( 例如：h e a d e r ) ，每 段内容都是由元素的组码和组值组成，组值e n d s e c 的相应组码0 表示该段结 束，整个d x f 文件结束标志用组码0 和组值e o f 标记。其中六个段名称、用途 与所包含的内容如下 3 1 3 2 ： ( 1 ) 标题段( h e a d e rs e c t i o n ) 此段包含图形的基本信息，记录与图形有关的各种变量的设置。它由一个 a u t o c a d 数据库版本号和许多系统变量组成，每个参数包括一个变量名及其组 值。 ( 2 ) 类段( c l a s ss e c t i o n ) 此段包含有关的应用程序定义类的信息，这些类的实例包含在b l o c k s 段、 e n t i t i e s 段和o b j e c t s 段的数据库中。类定义在类的层次结构中是固定不变 的。 ( 3 ) 表段( t a b l es e c t i o n ) 此段包含以下几种符号表的定义：a p p i d ( 应用程序的标示符) 、b l o c k r e c o r d ( 块引用表) 、d i m s t y l e ( 标注样式表) 、l a y e r ( 图层表) 、l t y p e ( 线型 表1 、s t y l e ( 文本样式表) 、u c s ( 用户坐标系表) 、v i e w ( 视图表) 和v p o r t ( 视口 配置表1 。 ( 4 ) 块段( b l o c k ss e c t i o n ) 此段包含块定义和组成图形中每个块引用的图形图元信息。 ( 5 ) 实体段( e n t i t i e ss e c t i o n ) 此段包含组成图形的实体( 图元) 信息，包括块引用( 插入图元) 。 ( 6 ) 对象段( o b j e c t ss e c t i o n ) 此段包含图形中的非图形对象，所有那些非符号表的、符号表的和非图元的 对象都储存在此区域里。 3 2d x f 文件中实体段的组码及其含义 组码既可以用来指出其对应组值的类型，又可以在文件各段中表示一定的含 义。组码的具体功能取决于它在文件中所处的位置，是变量、表项、还是实体说 明。组码的一般含义如下p ”l ： 组代码 组码的一般含义 0 标识一个事物的开始。例如：一个段、一个表、一个块、一实 体等 l字符型数据的值。例如：t e x t 的文字串、文件名、属性值等 2一个事物的名字。例如：段、表、块、线型、视图等的名字 3 字符型数据的值。例如：文件名、线型的说明部分、属性提取 5 用十六进制表示的实体标识 6 线型名( 固定的) 7 字体名( 固定的) 8 层名( 固定的) 9标题变量名( 固定的) 1 0 18x 坐标值 2 0 - 2 8y 坐标值 3 0 3 7z 坐标值 3 8 基面高度( 固定的) 3 9厚度( 固定的) 4 0 4 8 高度、宽度、半径、距离、比例因子等 4 9 重复值。例如：定义线型的各短划线的长度 5 0 5 8角度值 6 2 颜色号( 固定的) 6 6实体跟随标记。用于p l i n e 或带有属性的插入块 7 0 标题变量的状态、表项的数量和标记等 7 卜7 8 整数型数据 2 1 0 ，2 2 0 ，2 3 0厚度方向的x 、y 、z 分量 9 9 9解释行 本文的研究内容所需提取的信息段主要集中在d x f 文件中的实体段 ( e n t i t i e ss e c t i o n ) ，这里只介绍实体段组代码及其含义。d x f 文件实体段记 录了每个实体的名称、所在图层名、线型名、颜色号、基面高度、厚度等有关的 几何数据。实体段的一般格式为： o s e c t i o n e n t i t i e s o 实体名 8 层名 6 线型名 6 2 颜色号 3 8 基面高 3 9 厚度 o 实体名 0 实体段开始，实体段的名字是e n t i t e s 描述了实体名称、所在层名、线型名、颜色号、基面高、厚度 描述该实体的几何数据 t t 描述其它实体 e n d s e c 实体段结束 实体段中的数据信息有：点( p