一種機器人離線編程系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種機器人離線編程系統及方法，在機器人三維虛擬環境中導入機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型，對提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化，提取路徑點，生成機器人運動軌跡，之后進行機器人運動仿真和碰撞檢測，根據機器人運動仿真和碰撞檢測結果，按照已經給出的定義修改路徑點形成在新的機器人運動軌跡和姿態并操作系統上顯示，得到可行性結果并生成機器人可執行文件，與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制；本發明公開的機器人離線編程系統及方法，其能夠有效簡化操作、提高機器人編程工作效率。
【專利說明】
一種機器人離線編程系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及機器人領域，更具體的涉及一種機器人離線編程系統及方法。【背景技術】
[0002]目前，工業機器人的運動輸入和控制方式主要有三種:[0003 ] —是示教再現，包括“示教”和“再現”兩個階段。在示教階段，通過某種方式對機器人的期望運動預演一遍，將機器人的一些關鍵路徑點的位置和姿態存儲和記憶下來;示教完畢后，在再現階段，機器人對記憶的路徑點進行插補，依次運動到各路徑點。而示教又有三種方式:1)最常見的是采用示教盒，即操作員操縱示教盒發送指令，驅動機器人到一系列預期的位置。這種示教方式常用于機器人焊接和搬運等路徑較簡單的作業。2)第二種示教方式是拖拉式，即操作員直接握持機器人末端或者通過腕部力傳感器拖動機器人到期望的位置。噴涂機器人一般可以直接拖拉進行示教，但大多數工業機器人由于只有運動控制而沒有力控制，因此不能直接拖拉。但如果在末端安裝六維力傳感器，基于力傳感信息進行運動控制也可能實現間接拖動，進行示教。3)第三種示教方式是間接拖拉式，借助運動映射或其他輔助設備(包括與受控機器人具有相同構型、自由度和尺寸的示教裝備)，對機器人進行拖拽或引導性示教。操作員操縱該輔助性的示教裝備按期望軌跡運動，并記憶其路徑點， 最后將示教運動映射為機器人的運動。相比于基于示教盒的點動示教，拖拉式示教使用更方便，更容易達到復雜的位姿，適應性更強，可用于噴涂等作業。總之，示教再現的控制方式需要操作員親臨現場，在現場進行，占用資源，效率較低，工作強度大，精度不高，而且有人身危險。借助于外圍設備時還增加成本。
[0004]第二種運動輸入和控制方式是類似于數控編程的機器人編程，即采用機器人的語言，將機器人的作業按照腳本的形式進行編制。這種方式不直觀，需要反復修正，因而效率不尚。
[0005]第三種運動輸入和控制方式是離線編程，建立機器人仿真系統，對機器人運動路徑進行離線規劃。這種方式脫機進行，無需到現場，因而效率較高，適應性和靈活性強。
[0006]中國發明專利“機器人離線示教方法”(公開號CN102004485A)，公布了一種通過計算機實現機器人離線編程的方法。該方法在計算機中建立三維模型，并由虛擬工具示教點間的插補點生成運動軌跡，該發明的虛擬示教點為設定方式，必須手動設定示教點處的位置和姿態，因此需要花費大量的時間來獲取示教點數據，另外示教得到的姿態只是肉眼辨識，一般不是最佳的姿態數據，面對復雜的曲面路徑規劃，如激光焊接、噴涂、打磨等工業應用，此方法正面臨被淘汰。
[0007]中國發明專利申請“基于三維建模軟件實現工業機器人離線編程的方法”(公開號 CN103085072A)，公布了一種基于三維建模軟件實現工業機器人離線編程的方法，其方法是在三維建模軟件環境下，獲取空間線條數據和三維模型的空間矩陣數據，建立機器人運動軌跡和幾何數學模型，實現虛擬機器人運動控制系統的離線編程。該方法的實現存在以下不足:1)需要輸入空間曲線和機器人控制的數據，缺乏借助三維建模軟件本身的功能實現軌跡自主繪制、模型自主建模及虛擬仿真控制系統虛擬搭建的功能，對所規劃路徑有一定局限性，不能快速驗證路徑的可行性；2)在曲線路徑點離散中，通過指定數量點的方式獲取，難以保證曲線離散的精度;3)路徑點的姿態缺乏融合周圍實體的信息;4)缺少位姿可視化功能和路徑點自主修正功能;5)缺乏機器人型號的多樣性，沒有實時通訊連接功能，實現數據的實時傳輸。
【發明內容】
[0008]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種能夠自動規劃生成運動路徑并進行驗證的機器人離線編程系統及其機器人離線編程方法。
[0009]本發明提供的機器人離線編程系統，包括:
[0010]用于設定機器人運動學約束條件的約束條件設定模塊；
[0011]用于獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型和機器人運動路徑圖元及其位姿信息的獲取模塊；
[0012]以及用于構建機器人三維虛擬環境的帶有操作系統的終端;并且在機器人三維虛擬環境中導入機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型，對提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化，提取路徑點，生成機器人運動軌跡，之后進行機器人運動仿真和碰撞檢測，根據機器人運動仿真和碰撞檢測結果，按照已經給出的定義修改路徑點形成在新的機器人運動軌跡和姿態并操作系統上顯示，得到可行性結果并生成機器人可執行文件，與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制。
[0013]優選的，所述獲取模塊包括三維實體建模軟件的API接口，所述機器人三維虛擬環境采用三維實體建模軟件的API接口函數，實現機器人作業系統的三維建模。[〇〇14]優選的，所述三維實體建模軟件中包括基本圖元模型，所述基本圖元模型包括直線、圓弧、貝塞爾曲線和樣條曲線四種基本圖元及其關聯實體；
[0015]從獲取模塊中，三維實體建模軟件的API接口函數提取機器人運動路徑圖元及其位姿信息，通過生成基本圖元模型和自動選擇生成運動軌跡，經過坐標轉換，將上述的基本圖元模型和運動軌跡轉化到機器人三維虛擬環境中再進行后續的曲線離散化，并提取路徑點。
[0016]優選的，所述位姿信息通過提取的路徑點上建立的笛卡爾坐標系，以三維坐標軸的形式直觀的在終端上顯示為具有位置和姿態的帶有路徑的離散點。
[0017]優選的，在進行機器人運動仿真和碰撞檢測時，將所述的離散點和機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型在機器人三維虛擬環境中進行碰撞檢測得到機器人運動軌跡和姿態，若碰撞，則自動修改路徑點形成新的機器人運動軌跡和姿態，若不碰撞，則保留原機器人運動軌跡和姿態作為新的機器人運動軌跡和姿態。
[0018]優選的，根據所述新的機器人運動軌跡和姿態求解機器人正逆運動，并轉換成機器人的目標控制程序和數據，生成機器人可執行文件。
[0019]另外，本發明還提供相應的一種機器人離線編程方法，步驟如下:
[0020]S1、設定機器人運動學約束條件；獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型;獲取機器人運動路徑圖元及其位姿信息；
[0021]S2、構建機器人三維虛擬環境；
[0022]S3、將步驟SI中設定的機器人運動學約束條件、獲取的機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型、獲取的機器人運動路徑圖元及其位姿信息載入機器人三維虛擬環境；
[0023]S4、將提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化處理，得到路徑點，并在機器人三維虛擬環境中生成機器人運動軌跡；
[0024]S5、根據機器人運動軌跡進行機器人運動仿真和碰撞檢測，系統自動判斷是否產生干涉；
[0025]若是，則進入步驟S6;
[0026]若否，則進入步驟S7;
[0027]S6、按照事先給出的定義修改路徑點重新生成機器人運動軌跡，然后返回步驟S5;
[0028]S7、顯示并判斷機器人運動軌跡的可行性，若不可行則進行人工操作修改，若可行則生成可行性結果并生成機器人可執行文件；
[0029]S8、與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制。
[0030]本發明提供的機器人離線編程系統及其相應的機器人離線編程方法，通過在終端的操作系統中構建機器人三維虛擬環境并且在機器人三維虛擬環境中導入機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型，對提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化，提取路徑點，生成機器人運動軌跡，按照已經給出的定義修改路徑點形成最佳姿態并在操作系統上顯示，之后進行機器人運動仿真和碰撞檢測，得到可行性結果并生成機器人可執行文件，與機器人通訊，將運動代碼導入機器人控制器，實現機器人運動控制。通過本發明的方案能夠實現機器人復雜運動曲線路徑的自動編程和仿真檢測，并導出機器人運動代碼實現全程自動化的機器人運動控制，具有操作簡單、工作效率高的優點。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明系統的工作流程示意圖；
[0032]圖2為本發明系統的結構組成框圖；
[0033]圖3為本發明系統的機器人三維虛擬環境示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例及附圖對本發明方案作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0035]本發明提供了一種機器人離線編程系統，包括:
[0036]用于設定機器人運動學約束條件的約束條件設定模塊；
[0037]用于獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型和機器人運動路徑圖元及其位姿信息的獲取模塊；
[0038]以及用于構建機器人三維虛擬環境的帶有操作系統的終端；
[0039]系統的具體工作流程是在機器人三維虛擬環境中導入機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型，對提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化，提取路徑點，生成機器人運動軌跡，之后進行機器人運動仿真和碰撞檢測，根據機器人運動仿真和碰撞檢測結果，按照已經給出的定義修改路徑點形成在新的機器人運動軌跡和姿態并操作系統上顯示，得到可行性結果并生成機器人可執行文件，與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制。
[0040]較優的，所述獲取模塊包括三維實體建模軟件的API接口，所述機器人三維虛擬環境采用三維實體建模軟件的API接口函數，實現機器人作業系統的三維建模。具體來說，就是利用三維實體建模軟件的API接口函數，實現機器人作業系統的三維建模，包括機器人本體、作業對象、周邊環境的設計與布置及其幾何模型圖形處理，作業路徑的定義和修改，物體輪廓提取，實現虛擬仿真環境與實際工作環境的匹配。這樣可以直接使用現有的成熟軟件直接套用在系統中，大大提高了系統的兼容性和穩定性，便于用戶維護和替換。
[0041]其中，較優的，所述三維實體建模軟件中包括基本圖元模型，所述基本圖元模型包括直線、圓弧、貝塞爾曲線和樣條曲線四種基本圖元及其關聯實體;從獲取模塊中，三維實體建模軟件的API接口函數提取機器人運動路徑圖元及其位姿信息，通過生成基本圖元模型和自動選擇生成運動軌跡，經過坐標轉換，將上述的基本圖元模型和運動軌跡轉化到機器人三維虛擬環境中再進行后續的曲線離散化，并提取路徑點。該具體實施例中，使用相關圖元建模，基本上能夠滿足絕大多數復雜軌跡的生成要求，另外，由于后續是采用離散化曲線的方式進行模擬仿真和碰撞測試，所以對整個系統的配置要求大大降低，同時，由于運算的簡化，系統的處理效率大大提高，并且可以根據系統配置的高低選取離散點的選取密度，使其可以適應各種模擬環境。
[0042]較優的，所述位姿信息通過提取的路徑點上建立的笛卡爾坐標系，以三維坐標軸的形式直觀的在終端上顯示為具有位置和姿態的帶有路徑的離散點。這樣就實現了運動路徑的可視化，并便于后續操作。
[0043]其中，較優的，在進行機器人運動仿真和碰撞檢測時，將所述的離散點和機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模型在機器人三維虛擬環境中進行碰撞檢測得到機器人運動軌跡和姿態，若碰撞，則自動修改路徑點形成新的機器人運動軌跡和姿態，若不碰撞，則保留原機器人運動軌跡和姿態作為新的機器人運動軌跡和姿態。
[0044]其中，較優的，根據所述新的機器人運動軌跡和姿態求解機器人正逆運動，并轉換成機器人的目標控制程序和數據，生成機器人可執行文件。
[0045]本發明還提供對應的一種機器人離線編程方法，步驟如下:
[0046]S1、設定機器人運動學約束條件;獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型;獲取機器人運動路徑圖元及其位姿信息；
[0047]S2、構建機器人三維虛擬環境；
[0048]S3、將步驟SI中設定的機器人運動學約束條件、獲取的機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型、獲取的機器人運動路徑圖元及其位姿信息載入機器人三維虛擬環境；
[0049]S4、將提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化處理，得到路徑點，并在機器人三維虛擬環境中生成機器人運動軌跡；
[0050]S5、根據機器人運動軌跡進行機器人運動仿真和碰撞檢測，系統自動判斷是否產生干涉；
[0051 ]若是，則進入步驟S6;
[0052]若否，則進入步驟S7;
[0053]S6、按照事先給出的定義修改路徑點重新生成機器人運動軌跡，然后返回步驟S5;
[0054]S7、顯示并判斷機器人運動軌跡的可行性，若不可行則進行人工操作修改，若可行則生成可行性結果并生成機器人可執行文件；
[0055]S8、與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制。
[0056]另外，該方法的【具體實施方式】可以基于三維實體造型軟件SolidWorks實現，即三維實體建模軟件可以采用SolidWorks，具體運行流程如下:
[0057]1.在三維建模軟件SolidWorks中建立完整的機器人和工件模型(可從外部導入)，定義機器人與工件的相對位置關系及機器人工作空間約束；
[0058]2.利用圖元提取功能在工件模型上選擇焊縫軌跡，完成作業路徑的定義；
[0059]3.提取運動路徑圖元和關聯實體的信息，顯示在顯示區中；
[0060]4.利用SolidWorks的API函數獲取路徑點的位姿信息，借助數據轉換模塊，將路徑點的位姿信息轉化到機器人工作空間中；
[0061]5.使用機器人仿真模塊，將離散的路徑點信息導入仿真控制系統中，對任務規劃和路徑規劃的結果進行三維圖形運動仿真，模擬整個作業的完成情況；
[0062]6.使用位姿調整模塊修改所需的各個路徑點的位置和姿態，以符合機器人作業姿態要求，使機器人運動性能最優化及能耗最少；
[0063]7.利用顯示功能將各路徑點的位姿信息表達出來，顯示直觀，易于修改；
[0064]8.利用后置處理模塊，將正確的作業程序轉換成目標機器人的控制程序和數據，生成特定機器人可執行文件，輸入機器人控制器，實現對機器人的精確控制。
[0065]以上對本發明所提供的一種機器人離線編程系統及方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種機器人離線編程系統，其特征在于，包括:用于設定機器人運動學約束條件的約束條件設定模塊；用于獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型和機器人運動路徑圖元及其位 姿信息的獲取模塊；以及用于構建機器人三維虛擬環境的帶有操作系統的終端;并且在機器人三維虛擬環 境中導入機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人及其工裝的三維模 型，對提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化，提取路徑點，生成機器 人運動軌跡，之后進行機器人運動仿真和碰撞檢測，根據機器人運動仿真和碰撞檢測結果， 按照已經給出的定義修改路徑點形成在新的機器人運動軌跡和姿態并操作系統上顯示，得 到可行性結果并生成機器人可執行文件，與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人 控制器，實現機器人運動控制。2.如權利要求1所述的機器人離線編程系統，其特征在于，所述獲取模塊包括三維實體 建模軟件的API接口，所述機器人三維虛擬環境采用三維實體建模軟件的API接口函數，實 現機器人作業系統的三維建模。3.如權利要求2所述的機器人離線編程系統，其特征在于，所述三維實體建模軟件中包括基本圖元模型，所述基本圖元模型包括直線、圓弧、貝塞 爾曲線和樣條曲線四種基本圖元及其關聯實體；從獲取模塊中，三維實體建模軟件的API接口函數提取機器人運動路徑圖元及其位姿 信息，通過生成基本圖元模型和自動選擇生成運動軌跡，經過坐標轉換，將上述的基本圖元 模型和運動軌跡轉化到機器人三維虛擬環境中再進行后續的曲線離散化，并提取路徑點。4.如權利要求1所述的機器人離線編程系統，其特征在于，所述位姿信息通過提取的路 徑點上建立的笛卡爾坐標系，以三維坐標軸的形式直觀的在終端上顯示為具有位置和姿態 的帶有路徑的離散點。5.如權利要求4所述的機器人離線編程系統，其特征在于，在進行機器人運動仿真和碰 撞檢測時，將所述的離散點和機器人運動學約束條件、機器人工作對象的三維模型、機器人 及其工裝的三維模型在機器人三維虛擬環境中進行碰撞檢測得到機器人運動軌跡和姿態， 若碰撞，則自動修改路徑點形成新的機器人運動軌跡和姿態，若不碰撞，則保留原機器人運 動軌跡和姿態作為新的機器人運動軌跡和姿態。6.如權利要求5所述的機器人離線編程系統，其特征在于，根據所述新的機器人運動軌 跡和姿態求解機器人正逆運動，并轉換成機器人的目標控制程序和數據，生成機器人可執 行文件。7.—種機器人離線編程方法，其特征在于，步驟如下:S1、設定機器人運動學約束條件;獲取機器人工作對象和機器人及其工裝三維模型;獲 取機器人運動路徑圖元及其位姿信息；S2、構建機器人三維虛擬環境；S3、將步驟S1中設定的機器人運動學約束條件、獲取的機器人工作對象和機器人及其 工裝三維模型、獲取的機器人運動路徑圖元及其位姿信息載入機器人三維虛擬環境；S4、將提取到的機器人運動路徑圖元及其位姿信息進行曲線離散化處理，得到路徑點， 并在機器人三維虛擬環境中生成機器人運動軌跡；S5、根據機器人運動軌跡進行機器人運動仿真和碰撞檢測，系統自動判斷是否產生干 涉；若是，則進入步驟S6;若否，則進入步驟S7;S6、按照事先給出的定義修改路徑點重新生成機器人運動軌跡，然后返回步驟S5;S7、顯示并判斷機器人運動軌跡的可行性，若不可行則進行人工操作修改，若可行則生 成可行性結果并生成機器人可執行文件；S8、與機器人通訊，將機器人可執行文件導入機器人控制器，實現機器人運動控制。
【文檔編號】G06F17/50GK105945942SQ201610211196
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】管貽生, 吳鴻敏, 鄧華健, 畢志強, 張宏
【申請人】廣東工業大學, 佛山博文機器人自動化科技有限公司