工业机器人研究 机电一体化专业毕业设计 毕业论文.doc

黄石理工学院 毕业设计（论文）摘 要 如今，工业机器人的使用已经成为评价一个国家自动化程度高低的重要标志之一。本文针对工业机器人在生产中的应用，对工业机器人进行了研究。机器人运动学是一切机器人运动的基础，本文对此进行了深入浅出的研究。对机器人位置和姿态的表示及齐次坐标变换进行了阐述，另外机器人运动的正解和逆解也是影响机器人研究的重要内容。工业机器人在实际生产中应用最多的是喷漆和焊接。对于工业机器人在喷漆中的应用，本文使用Robotstudio软件，仿真两台IRB5400喷漆机器人进行喷涂，通过仿真证明了开发程序的合理性和有效性，验证了工业机器人在实际生产中起到的不可估量的重要作用。工业机器人在焊接中的应用，在对机器人语言的特点和系统构成分析的基础上,运用了混合式弧焊机器人语言。该语言具有弧焊机器人所必需的机器人运动控制和焊接等相关功能。不仅可以实现机器人作业程序的手动编写,同时实现了离线编程系统、遥操作系统以及示教编程器与机器人控制系统的通用接口。关键词： 工业机器人；研究；喷漆；焊接 AbstractNowadays, the use of industrial robots has become one of the evaluations of automation degree among countries. Based on the application in the production of industrial robots, industrial robots are studied.Robot kinematics is the foundation of all robots. this paper studies the method. On the position and gesture and homogeneous coordinate transform, another robot positive solution and inverse robot research are the important content.Industrial robots are applied in practical production is the largest paint and welding.For industrial robots in paint application, this paper uses Robotstudio software simulation IRB5400 paint spraying robots, through the simulation proves the rationality and validity of the development process and verified in the actual production of industrial robot plays an important role in the immeasurable.In the application of industrial robot welding on the characteristics of the language of robot and based on the analysis of system structure, using a hybrid arc welding robot language. The language is necessary for arc welding robot control and related functions. Not only can realize the manual written procedures robot off-line programming, and realize the system, remote operation system and teaching programming and robot control system of common interface.Keywords: Industrial robots, Research, Paint, Welding目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1工业机器人简介11.1.1在喷漆中的应用21.1.2在焊接中的应用41.2工业机器人国内外研究状况71.3本课题研究的内容8第2章 机器人运动学92.1位置和姿态的表示92.2齐次坐标变换112.3机器人运动方程的解122.3.1运动学正解132.3.2运动学逆解16第3章 喷漆机器人研究203.1机器人语言概述203.2喷漆机器人应用程序设计213.3喷漆机器人离线编程的主程序233.4程序结果分析24第4章 焊接机器人研究274.1 混合式弧焊机器人编程语言284.1.1 HAW RL指令集及其说明294.1.2 HAW RL的变量314.1.3 HAW RL的程序结构314.1.4 HAW RL编程实例314.2结论34第5章 总 结36致 谢37参考文献3839第1章 绪 论 进入 21世纪，机器人已成为现代工业不可缺少的重要工具，它标志着工业的现代化程度。机器人学是一门高度交叉的前沿学科，引起许多不同专业背景的人们的兴趣，如机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人智能化等领域，本文以工业机器人在生产中的应用为主线，对工业机器人作了较深入的研究与讨论 。工业机器人发展至今，已经成为一门新学科、一项新技术，也是增长最快的新产业之一。根据国际机器人联合会1999年世界机器人统计数据，1999年底全世界安装的机器人数达S1，500台，比1998年增加了15%，而市场价值为51亿美元，比1998年下降了7%，这说明单台机器人的价格在呈下降趋势，有利于机器人的应用和推广。现役工业机器人总数为742，500台，其中日本占54%，美国占12.5%，德国占11%。预计到2003年，世界工业机器人总数达892，200台。拥有工业机器人数量的多少已经成为评价一个国家自动化程度高低的重要标志之一。1.1工业机器人简介第一台工业机器人问世后头十年，从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所作的努力均未获得成功。进入20世纪70年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣，他们发现机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机。随着 自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发展，到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。到 70年代末期，工业机器人有了更大的发展。进入80年代后，机器人生产继续保持 70年代后期的发展势头，到 80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。1995年以来，世界机器人数量逐年增加，增长率也较高。到2000年，服役机器人约100万台，机器人学仍然维持较好的发展势头，满怀希望地跨入21世纪。 工业机器人的应用领域十分广泛，如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等均在各个工业部门有了较为广泛的应用。在工业部门应用机器人的目的主要是削减人员编制、提高工作效率和提高产品质量。因为机器人具有两个主要优点:1)生产过程的几乎完全自动化。2)生产设备的高度适应能力。计算机控制的喷漆机器人早在 1975年就投人运用，它可避免危害工人健康，提高经济效益和综合质量。由于具有可编程能力，喷漆机器人能适于各种应用场合。例如，在汽车工业上，可把喷漆机器人用于对下车架和前灯区域、轮孔、窗口、下承板、发动机部件、门面以及行李箱等部分进行喷漆.由于喷漆机器人能够代替人在危险和恶劣环境下进行喷漆作业，所以喷漆机器人正在获得日益广泛的应用。焊接机器人是最大的工业机器人应用领域，它占工业机器人总数的25%左右。由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求，一般工人己难以胜任这一工作;此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因而，焊接过程的完全自动化己成为重要的研究课题。应用焊接机器人即是实现焊接完全自动化的一个重要方法。1.1.1在喷漆中的应用喷漆机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出几种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好的经济效果。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。喷漆机器人在国外早已广泛应用于汽车等产品的涂装生产线上，近年来国内亦拥有相当数量的喷漆机器人如南航研制的PR-1型喷漆机器人。在大规模的涂装生产线上，用于喷涂工件表面的喷枪通常被置于机器人的手臂上，即由喷漆机器人去完成对工件的喷涂作业。用于规划喷漆机器人的运动的一种典型方法是人工示教法，即由工人握住安装有固定喷枪的机器人前臂进行喷涂实验，同时由控制机器人的计算机记录下机器人各关节参数的变化，使得机器人随后能独立地重复沿原先的轨迹运动。尽管这种方法是简单的，且己被广泛利用，但存在不少缺点: a)喷枪轨迹是凭人工经验和实验方法获得的，而喷涂效果与物体表面形状、喷枪参数等诸因素有关。因此按此方法无法择出最佳喷涂路径; b)在示教过程中机器人不能被使用，人类始终处于有害的环境中; c)人工费用较高且缺少熟练劳动力;d)该方法通用性较差，对于外形复杂且不规则的涂件达不到预期效果。以上问题是基于这样的事实，机器人被用于示教的工作场所通常是有害的环境，而对于人工操作者而言，给机器人示教一条优化的运动轨迹是非常困难的。与机器人运动的实施直接相关的不仅仅是油漆的消耗、喷涂时间，而且与获得一致的涂层厚度相关。当物体形状变得复杂和涂层容许偏差要求严格时，示教机器人一条优化路径对人来讲是非常困难的。随着对环境保护和劳动保护的日益重视，以及适应生产自动化发展的需要，同时也为了进一步提高产品质量和生产效率，人们希望改变以往的人工示教法。随着近20年来机器人技术的迅速发展，驱动方式从液压驱动改变为电力驱动;喷漆速度、绝对精度和动态跟踪精度的显著提高:加速过程日趋平稳快速;离线编程能力从无到有。同时计算机科学的发展更是突飞猛进，特别是CAD/CAM技术的长足发展，以及人们对机器人离线编程兴趣的与日俱增，自然产生了要把这项技术应用于喷漆机器人的构想。于是人们开始寻求喷漆机器人离线编程方法，期望利用计算机自动寻找出能产生最佳喷涂效果的喷枪运动轨迹，再将这条轨迹最终转换成机器人的运动程序。在离线编程过程中，机器人规划被分开来进行，因此机器人能连续而重复地执行它现在的工作。离线编程主要的好处是: a)减少停工待料期以及给机器人极大的能力: b)通过仿真更好地理解过程; c)减少对昂贵设备的破坏以及对人工操作者危害的风险，离线编程可以通过汇编语言或者利用建立在图形基础上的仿真和编程系统来完成。汇编语言由于其与机器人易于交流，因而花费少，并提供了好的编程设备以及利于对机器人进行控制。但是不足的是它提供了很少的甚至没有的可视化特征以及要求高水平的编程人员。而另一方面，建立在图形基础上的仿真和编程系统用可视化就可解决上述问题并提供了一个高级使用者界面，低水平的编程人员就足够操作这些系统。在喷漆机器人离线编程领域，人们已进行了各种不同的实验研究，取得了一定的成果: 20世纪80年代初，美国McAut。公司研制成功四套用于机器人的软件模块:PLACE. BUILD. COMMAND. ADJUST，它们能够在机器人工作车间安装之前，先对那儿的生产过程进行离线化仿真和检验。1984年，人们提出了对机器人进行离线编程系统，并设想用计算机图形化仿真机器人的工作过程。1986年，A. Klein把此项技术应用于喷漆机器人，并提出基于CAD的喷漆机器人离线编程系统i。同样，借助此系统用户可以交互式设计和仿真喷枪与机器人的运动轨迹。此外，B.Bidanda等人在 1993年也提出与此类似的喷釉机器人离线编程系统(OLP).1989年，CDuelen等人进一步探讨了离线编程技术，将之用于静电喷涂中，且提出表面为雕塑面的工件上电场分布数学模型，进一步扩大了其应用范围。1.1.2在焊接中的应用自1962美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000套，这其中大约有半数是焊接机器人。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术己有了长足的发展。从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人可大致分为三代。第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用;第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感器技术和离线编程技术(OLP)的不断改进，这类机器人现已进入应用研究的阶段;第三代是指装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研究阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标。根据国际机器人联合会(IFR)的报告，在汽车工业中，日本每万名工人占有909台机器人，意大利相应密度为400台，美国为370台，德国为340台，瑞典为300台，法国为220台，英国为150台，其中分布在汽车工业的机器人平均占有60%80%。世界大型汽车公司特别注重焊接机器人的技术开发，如美国通用汽车公司“北美制造中心”的机器人实验室正在从事车身焊接的应用研究。目前，国际上大型汽车制造公司已经普遍地采用了焊接机器人，例如德国OPEL(欧宝)汽车公司一条年产30万辆焊接生产线上使用了600多台焊接机器人。日本SUZUKI(铃木)一条年产30万辆的焊接线上使用了多达670台焊接机器人。焊接技术是汽车制造业中的重要环节，随着许多焊接技术可靠性、经济性和耐久性的提高，带有智能化、数字化、逆变技术的焊机将更广泛地应用到生产中。激光拼焊板技术、激光复合焊技术、中频电阻点焊技术、恒热控制电阻点焊技术、磁脉冲焊接技术、汽车薄板MAG焊技术、压铆连接技术和胶接技术将与机器人有机结合，在汽车制造中得到更广泛的应用。目前应用较多的焊接机器人有点焊机器人、弧焊机器人、激光焊接机器人等。焊接作为机械制造业中仅次于装配加工和切削加工的第三大加工作业，对其进行机器人柔性加工技术及其相关的控制器PC化、网络化和智能化的应用研究己成为焊接自动化发展的必然趋势。加入WTO以后，中国已处于市场全球化的经济环境中，这为我国经济发展带来机遇，也使制造业面临更严峻的挑战。在现代制造业尤其是汽车制造业中，焊接技术作为重要的加工手段，占有非常重要的地位。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： (1) 机器人在线示教时，它不是生产性的，且任务一旦改变则要重新编程，不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要； (2) 复杂的机器人作业，如弧焊、装配任务很难用示教方式完成； (3) 运动规划的失误会导致机器人间及机器人与固定物的相撞，对生产具有破坏性； (4) 编程者安全性差，尤其是不适合太空、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： (1) 减少机器人不工作的时间； (2) 使编程者远离危险的工作环境； (3) 便于和 CAD/CAM 系统结合，做到 CAD/CAM/Robotics 一体化； (4) 可对复杂任务进行编程； (5) 便于修改机器人程序。 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，焊接机器人的离线编程与仿真技术是应当重视的新技术之一。我国的焊接机器人数量还不很多，产品改型也不快，许多工厂在购置焊接机器人时都是由机器人供应商事先把机器人的程序编好交给工厂使用。因此在使用初期编程占用机时的矛盾并不突出。目前已经有些工厂希望机器人能焊接更多的新工件，这必须停止生产才能对焊接机器人进行在线编程。这种生产与编程的矛盾将会越来越大。因此，目前对离线编程技术的需求呼声已日益增强。 弧焊是机器人焊接的主要应用领域之一，也是机器人编程比较困难的场合。弧焊机器人离线编程已经成为我国机器人焊接企业界需求的重点。 目前商品化的离线编程软件，如 ROBCAD、IGRIP、WORKSPACE等，纷纷推出了基于 Windows 的离线编程系统。这些软件的价格昂贵，并且软件尚缺乏对弧焊特殊应用的支持。对于 IGRIP，用户在编程序时，很多时候还必须通过图形示教方式建立机器人运动路径。这对于大型工件或复杂路径的编程，工作量是相当大的。 目前机器人的编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。离线编程的实用化目前已经成为院校和科研院所的研究重点。随着焊接机器人在我国的推广以及其他领域离线编程的成功应用，我国企业对焊接机器人离线编程技术的呼声已日益增强。1.2工业机器人国内外研究状况 工业机器人自从60年代初问世以来，经过了30多年的发展，已广泛应用于各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。在制造业中采用机器人，可以提高劳动生产率、保证产品质量、缩短生产准备周期和改善劳动条件。在现代化的汽车工业中，成批的点焊、喷漆机器人已经成为不可缺少的自动化设备。很多工业化国家采用工业机器人改造制造工业己经取得了重大的经济和社会效益。 机器人不仅可以在粉尘、噪声、有毒、辐射等有害条件下部分替代人去操作，还能在人所不能及的极限条件下，如深海、外层空间环境中完成人所赋予的任务，扩大了人类改造自然的能力，尤其是近些年来自动化和计算机的发展极大地推动了工业机器人的发展。机器人的研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科都和机器人技术有密切的联系。本文的主要目的是通过本课题的研究，掌握运动学研究的基本方法、基本理论和基本知识。学为所用，应用到工作中。虽然工业机器人在我国机械工业，特别是大型精密机械制造行业的应用与发达工业国家相比还不普及，设备和技术手段都比较落后，但随着企业实力的增强及技术的进步，一定会有越来越多的工业机器人服务于高精尖的机械行业，为我国目前的大型飞机和航空母舰两个重大项目作出重要贡献。因此，研究工业机器人及其在生产中的应用技术具有非常重要而现实的意义。我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历经30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面:诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人的应用工程方面:目前，国内外己有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，占据整个工业机器人总量的40%以上。在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CL00S、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的工GM公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。这些焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代的示教再现型。功能较为单一，工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节的运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出下述明显缺点:(1)不具备适应焊接对象和任务变化的能力;(2)对复杂形状的焊缝编程效率低，占用大量生产时间;(3)不能对焊接动态过程实时检测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。我国工业机器人技术在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距。例如，迄今为止我们尚未形成机器人产业。再如，七、八十年代国外开始从事工程机械的机电液一体化研发工作时，国内正在进行机械式控制向机械一液压控制的转变。目前总体技术仅相当于国外八十年代初的水平。在制造工艺与装备方面，我国与工业发达国相比也有较大的差距。目前我国尚不能生产高精密、高速与高效的制造装备，国际上先进的制造工艺和装备在我国企业工业生产中应用得相当少。1.3本课题研究的内容本课题针对工业机器人在生产中的应用，对工业机器人运动学基础进行了阐述。同时着重讲述了工业机器人在喷漆和焊接两个领域的应用，对机器人程序语言做了重点研究。第2章 机器人运动学机器人运动学是专门研究物体运动规律，而在研究中不考虑产生的力和力矩，它涉及到运动物体的位置、速度、加速度和位置变量对时间的高阶导数。实际上，机器人运动学研究有两类问题:一类是给定机器人各关节角度，要求计算机器人手爪的位置与姿态问题，称为正向运动学;另一类是己知手爪的位置与姿态求机器人对应于这个位置与姿态的全部关节角，称为逆向运动学。显然，正问题是简单的，解是唯一的，但逆问题的解是复杂的，而且具有多解性，这给问题求解带来困难，往往需要一些技巧与经验。2.1位置和姿态的表示 在机器人的连杆坐标系建立中，设第i关节的关节轴连接杆件i-1和杆件i，见图2-1机器人的关节结构参数图。沿杆件i-1和杆件i分别作i轴的垂线，则这两条垂线间的距离di即决定了两杆件的相对距离。两条垂线的夹角i即为两杆件的夹角。di和i这两个量就决定了杆件i-1和杆件1的相对位置关系。杆件i与前后两个杆件i-1和i +1相连，因此，在杆件i两端各有一个关节轴，即i轴和i+1轴。设ai为轴i和轴i +l之间的距离，i为它们之间的夹角，则ai即为杆件i的长度，i即为杆件i的旋转角，它决定了杆件i的结构。因此，操作机的每个杆件都可以用di， i， ai，i四个参数来表示，这就决定了机器人每一个杆件的运动学形态。 图2-1机器人关节结构参数图工业机器人的每个关节坐标系的建立依据下面三条原则: 1) Zi-1坐标轴是沿着i关节的运动轴。是机器人处于初始位姿(即操作零位)，由基座开始先设立固定的基坐标系。其Z。的正向与重力加速度反向，原点O在第一关节轴在线，x0位于机器人作业空间的对称平面内。 2) Xi轴垂直于Zi-1轴并指向离开Zi-1轴的方向。尽量使Xi与Xi-1同向。 3) Yi轴的方向按右手定则来确定。 其中0号坐标系在基坐上的位置和方向可以任选，只要使Zo轴沿着第一个关节轴运动即可，而最后一个坐标系(第6系)可放在端部的任何部位，只要x6与z5轴垂直即可。 根据D-H表示法，杆件的结构参数ai ，i和相对位置参数di i按下述方法求得: 1) i为从xi绕zi轴(按右手规则)的关节角(逆时针为正)； 2) di为从xi-1到xi沿zi测量的距离； 3) ai-1为从zi-1轴到zi沿xi-1测量的距离； 4） ai-1为从:zi-1轴到zi绕xi-1旋转的角度(逆时针为正)。(1)位置描述. 建立了坐标系之后，我们就能用一个位置矢量来确定该空间的任意点。 （式2-1）(2)方位描述 为了研究机器人的运动和操作，不仅要表示空间某一点的位置，而且需要表示物体的方位。物体的方位可由某个固连于此物体的坐标系描述。为了规定空间某刚体B的方位，设置一直角坐标系(B与此刚体固接。用坐标系(B)的三个单位主矢量相对于参考系A)的方向余弦组成的矩阵来表示刚体的方位。 （式2-2）对应于轴x,y,z着转角为。的旋转变换，其变换矩阵分别为: （式2-3） （式2-4） （式2-5） 式中，s表示sin, c表示cos。以后将一律采用此规定。2.2齐次坐标变换 已知一直角坐标系中的某一点坐标，那么该点在另一直角坐标系中的坐标可通过齐次坐标变换求得。 （式2-6）其中，4X1的列矢量表示三维空间的点，称为点的齐次坐标，可把上式写成矩阵式： （式2-7）其中，齐次变换矩阵是4X4的方阵，具有如下形式： （式2-8） 图2-2综合的表示了平移变换和旋转变换。（见图2-2）平移齐次变换为： （式2-9）旋转齐次变换为： （式2-10） （式2-11） （式2-12） 式中，Rot表示旋转变换。 2.3机器人运动方程的解无论用什么方法，建立起机器人坐标系之后，可以得到几个转换矩阵的积: (对具有个自由度机器人)，矩阵表示了机器人手端坐标系相对于机器人基础坐标系的位置和姿态: 则为机器人正向运动学的解。 2.3.1运动学正解 运动学方程的建立与求解是一个机器人系统的关键技术。建立杆件的D-H坐标系，就可以确定联系坐标系和坐标系的齐次变换矩阵。根据齐次坐标变换理论，可知工具坐标系是由从基坐标系到各个杆件坐标系之间的变换得到的，即： （式213）这就是机器人正向运动方程，下面就用DH方法求解运动学正解。根据齐次变换原理和位姿理论得到各关节的位置矩阵如下：（1）绕轴转角的坐标变换矩阵为： （式214）（2）绕,轴转动角，沿轴移动，绕轴转动角的坐标变换矩阵为： （式215）（3）绕轴移动，绕轴转动角的坐标变换矩阵为： （式216）（4）沿轴移动，沿轴移动，绕轴转动角，绕轴转动角的坐标变换矩阵为： （式217）（5）绕轴转动角，绕轴转动角的坐标变换矩阵为： （式218）（6）绕轴转动角，绕几轴转动角的坐标变换矩阵为： （式219）（7）绕轴转动角，绕轴转动角，沿轴移动，沿轴移动的坐标变换矩阵为：(仅以基位姿为参照与手部位姿变换得来) （式220）将以上连杆的齐次变换矩阵相乘就得到操作臂变换矩阵 （式221）可以看出是，的函数。 （式222） （式223） （式224） 0 （式225） 上式中分别表示。当将各关节角的初始位置，即=, =, =, =，=，=的值代入上还表达式中，可得: =0, =0, =1, =l, =0，=0，=0，=1，0，0，与以基位姿为参照手部位姿的矩阵相同。即运动方程确实是正确的。2.3.2运动学逆解机器人逆运动学问题在机器人运动学、动力学及控制中占有非常重要的地位，直接影响着控制的快速性与准确性。逆运动学问题就是根据己知的末端执行器的位姿(位置和姿态)，求解相应的关节变量。逆运动学问题即为运动反解，讨论上述运动方程的反向问题，即求由手坐标系的笛卡尔空间到关节空间(即所有关节转角)的逆变换，以求解关节转角i 。 1、求解关节1转角1 由式3-6两边同左乘以可得 即： = （式2-26）令矩阵方程式(2-26 )两端的元素对应相等，可得: -pxs1 + pyc1 = 0 tan1 =s1/c1 =py/px 求得1 = arctan(py/px)由此可知1 有唯一解。 2、求解关节2转角2 由式2-26两边同左乘以可得 （式2-27） 令式2-27两端元素相等可得 a3c3 - d4s3 + a2 = c2( pxc1 + pys1 ) - pzs2 - a1c2 a3c3 + d4s3 = -s2( pxc1 + pys1 ) - pzc2 + a1s2 （式2-28）求得：2 =arctan - arctan 其中由上式中第二项的正负因子可知2有两个解。 3、求解关节3转角3 令上式中 k3=c2(pxc1+pys1)-pzs2-a1c2-a2 3= 其中 由上式中第二项的正负因子可知3有两个解 4、求解关节4转角4 用同时左乘式2-27可得： （式2-29） = （式2-30）综合解得4的封闭解 5、求解关节5转角5 解式2-30得 由上式中第二项的正负因子可知5有两个解。 6、求解关节6转角6 解式2-30得 知6有封闭解综上所述，2、3、5 均有两组不同的解，故此工业机器人对于同一种手部位姿可能存在着8种关节角组合，即：逆运动有非唯一解。第3章 喷漆机器人研究机器人编程就是针对机器人为完成某项作业进行程序设计。早期的工业机器人，由于完成的作业比较简单，作业内容改变不频繁，采用固定程序控制或示教再现方法即可满足要求，不存在语言问题。但随着机器人本身的发展，计算机系统功能日益完善以及机器人作业内容愈加复杂化，利用程序来控制机器人显得越来越难，这主要是由于编程过程过于复杂，使得在作业现场对付复杂作业十分困难。为了寻求用简单的方法描述作业，控制计算机动作，专用机器人语言随之就出现了。到目前为止，国内外尚无通用的机器人语言，虽然现有的品种繁多，仅在美、日、西欧实用的机器人语言就至少有数十种。但即使这样，新的机器人语言还不断出现。究其原因，就在于目前开发的机器人语言绝大多数是根据专用机器人而单独开发的，存在着通用性差的问题。IRB5400 喷漆机器人采用的是RAPID语言，是瑞士ABB公司针对自己生产的机器人开发的语言。RAPID语言支撑标准规划，这个规划在IRB机器人上包含了路径，数据等。RAPID语言具有模块化、控制结构、中断处理等。RAPID语言所编写的简单程序都是由三个最基本的部分组成：主程序，子程序，数据。3.1机器人语言概述最早开展机器人语言研究的是美国斯坦福大学、麻省理工学院以及英国的一些大学，他们在20世纪60年代初期就着手这方面的工作。直到1973年，斯坦福大学人工智能研究室才研制出实用的WAVE语言，这是第一个机器人语言。WAVE语言具有动作的描述、力和接触的控制，配合视觉系统可以完成手眼协调编程。之后，在WAVE语言的基础上，该实验室又开发出了AL语言，这是一种具有高级语言ALGOL特点的编译式语言，能在实时控制机上执行。不仅能用该语言描述机器人手爪的操作，而且还能记忆作业环境以及环境内物象之间的相对位置，可以用来控制多台机器人协调工作。AL语言影响了后来许多面向机器人语言的设计，对机器人语言的发展有很大的影响。美国IBM公司在机器人语言研究上作了很多工作，也取得了不少成果。该公司在20世纪70年代中期开发了应用于直角坐标机器人上的EMILY和ML语言，能用于机器人的装配作业，此后该公司又研制出用于装配机器人的AUTOPASS，这是一种比较高级的机器人语言，它可以对几何模型类任务进行半自动编程。在1982年，IBM公司又推出了AML语言，目前，AML已作为商业化产品，用于IBM机器人的控制。1979年，美国Unimation公司推出VAL语言，主要用于PUMA和Unimate等系列的机器人上，是一种比较成功的机器人语言。VAL是在BASIC语言的基础上扩展的机器人语言，它具有BASIC语言的结构，比较简单，易于编程，为工业机器人所适用。1984年该公司推出VAL-语言，它是在VAL语言的基础上，增加开发利用传感器信息进行运动控制和数据处理以及通讯等功能。20世纪80年代初，美国Automatix公司开发了RAIL语言，它能利用视觉传感器信息，进行检验零件作业。同期，麦道公司研制出了MCL语言，它是在数控语言APL基础上发展起来的机器人语言。MCL语言应用与由机床及机器人组成的柔性加工单元的编程，其功能较强。有的国家正尝试在数控机床通用语言的基础上，形成统一的机器人语言，但由于机器人控制不仅要考虑机器人本身的运动，还要考虑机器人与配套设备间的协调通讯以及多个机器人之间的协调工作，因而技术难度非常大，目前尚处于研究探索阶段。3.2喷漆机器人应用程序设计本文使用Robotstudio软件，仿真两台IRB5400喷漆机器人进行喷涂，在软件里面输入程序。程序流程如图3-1。图3-1 程序流程图主程序中，主程序为PROC，Routine1、Routine2、Routine3、Routine4、Routine5为5个子程序，把一个机器人喷涂的发动机区域划分为5个区域，每个子程序代表一个区域，每个区域规划了100个喷涂点。为了保证喷涂质量，当机器人距离发动机过远时，即距离超过0.5米时，停止喷涂，机器人回到初始位置，喷涂下一台发动机，此台未喷涂完的发动机重新进行人工喷涂。Routine1包括了发动机侧面的喷涂，Routine2、Routine3包括了发动机正面的喷涂，Routine4包括了发动机上面的喷涂，Routine5包括了发动机下面的喷涂。程序中执行完Routine4后，有一个Waittime 20，此处是一个调整时间，调整机器人的姿态，避免机器人出现死机，还可以让机器人以更好的姿态来喷涂Routine5所包括的区域。tool11tool13代表了选择的工艺参数，喷嘴口径1.397mm，控制参数11.25，输送压力0.250.3Mpa。根据不同的喷涂要求，选择不同的tool。此程序中选择了tool13，代表了控制参数为1，输送压力为0.3Mpa。根据生产节拍，设定机器人运动速度为600mm/s，发动机吊在悬链上，运动速度为800mm/min。由于生产任务的增加，改进后的程序提高了机器人和发动机的运动速度。改进后的程序考虑了机器人运动可能会碰到的死点，在喷涂过程中优先考虑喷涂这些死点。3.3喷漆机器人离线编程的主程序PROC runjob（）ActUnit CNVI;ConfJoff;ConfLoff;PaintL-1422.39,-919.05,985.09,0.144697,0.805359,0.154601,-0.553678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9.-261.765,v600,z50,tool13;WaitWObj wobjconv1RelDist:=100;IF c1Position0.5 THENTPErase;TPWrite“object exceed the volid range,drop the current object”;ENDIFUseBrushTab bd1;PaintL-1422.39,-919.05,985.09,0.144697,0.805359,0.154601,-0.553678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9.-261.765,v600,z50,tool13; Routine1;Routine2;Routine3;Routine4;Waittime 20;Routine5;PaintL-1422.39,-919.05,985.09,0.144697,0.805359,0.154601,-0.553678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9.-261.765,v600,z50,tool13; DropWOb wobjconv1;PaintL-1422.39,-919.05,985.09,0.144697,0.805359,0.154601,-0.553678,0,0,0,0,9E+9,9E+9, 9E+9,9E+9,9E+9.-261.765,v600,z50,tool13;ConfJon; ConfLon;DeactUnit CNV1;ENDPROC3.4程序结果分析程序改进前，喷涂效果如图3-2。 图3-2 改进前喷涂效果图红色区域表示漆膜厚度超过40um黄色区域表示漆膜厚度不足30um绿色区域表示漆膜厚度在3040um之间，符合要求符合要求的约占55%，漆膜厚度不足的越占27%，过厚的越占18%程序改进后，应用于IRB5400喷漆机器人，通过实验、测量、分析，喷涂效果如图3-3。图3-3 改进后喷涂效果图红色区域表示漆膜厚度超过60um 黄色区域表示漆膜厚度不足50um绿色区域表示漆膜厚度在5060um之间，符合要求符合要求的约占82%，漆膜厚度不足的越占10%，过厚的越占8%显然，经过程序的改进，漆膜厚度增加、覆盖率提高。对不符合厚度要求的，进行人工处理。如对厚度不足的区域进行人工喷漆，对过厚的区域打磨等。由于机器人运行的不稳定，有时候会停机，通过改进和开发新的程序，使得机器人能以更好的姿态来喷涂发动机，得出结果如表3-1所示。表3-1 机器人故障停机周期停机次数运行次数故障次数/百万次运行131102173034221110071979327109172473424104582295581025778069110328167111065810328610798557其中周期14为程序改进前，周期58为程序改进后。故障分布如图3-4。图3-4 故障分布可知，故障次数/百万次运行明显的下降了，保证了生产的顺利进行。以瑞士ABB公司生产的IRB5400喷漆机器人为实验对象，改进了喷涂发动机的应用程序，进行了仿真，通过测量，得出了结果：发动机漆膜厚度增加、覆盖率提高、故障停机率降低，证明了开发程序的合理性和有效性。第4章 焊接机器人研究根据机器人语言的类别不同,其组成也不同。对于动作级机器人语言,主要包括: (1)位置说明。使用提供的数据结构定义物体的位置和特征。对于焊接作业,机器人末端焊枪以及工件的位置和姿态可以用44的矩阵进行表示。(2)运动说明。通常用一系列机器人要达到的目标位置来说明,不仅需要说明初始状态和终止状态,为了避免碰撞,还应该说明路径上足够的中间点。此外,还需要说明运动的速度等。(3)传感和控制流程。焊接过程中存在着焊接变形,同时又要保证焊接的质量,通常要使用焊缝跟踪系统和熔透控制系统等。故程序中要包含相应的传感信息处理。此外,机器人程序的流程通常由传感器信息控制,多数语言都提供了判定结构,如do-while。(4)程序设计支持。提供必要的程序开发和调试功能,主要包括再线修