浅析工业机器人离线编程技术

张桂娟 苗艳杰

摘要：离线编程技术是发展工业机器人的一种重要的关键技术。首先介绍了离线编程的概念，同时进一步介绍了离线编程组成及其关键技术；最后介绍了离线编程现状以及提出了离线编程发展前景。由此可知离线编程技术有着很大的实用价值，去研究离线编程技术具有很重要现实意义。

关键词：工业机器人；离线编程；传感器；轨迹规划

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0194-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Industrial Robot Offline Programming Technology

ZHANG Gui-juan， MIAO Yan-jie

（School of Mechatronics Engineering， Foshan University， Foshan 52800， China）

Abstract： Off-line programming technology is an important key technology for the development of industrial robots. Firstly， the concept of offline programming is introduced. At the same time， the composition of offline programming and its key technologies are introduced. Finally， the status quo of offline programming and the development prospect of offline programming are introduced. It can be seen that offline programming technology has great practical value. It is of great practical significance to study offline programming technology.

Key words： Industrial robot； Off line programming； sensor； Trajectory planning

近年來，人工智能AI掀起了一股热潮，各国对人工智能AI尤其重视，特别是一些国家相应地制定一系列的政策去重视，如：美国已经把人工智能上升到国家战略；德国重视的工业4.0在《德国2020高技术战略》里面提出；中国的《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，可见机器人影响着各国的未来。随着我国社会老龄化不断加剧，相应的一线焊接劳动工人也随之减少[1]，而伴随着工业机器人的出现，解决了劳动力的问题，使得人力的解放[2]。在工业机器人领域中，焊接机器人是应用最为广泛的一种工业机器人[3]。目前国内机器人加工依靠主要依靠示教编程完成[4][5]，但是教编程也存在着新任务需要停机示教、编程过程烦琐、需要施教者有经验、生产效率低下、复杂轨迹难以精确示教等缺点[6-8]。与此同时，对于离线编程来说有如下优点：直观地看到编程结果、机器人不停机地工作、使用范围广、改善了编程环境、运动轨迹的规划更加复杂、工作效率更高等[5][9][10]。

1离线编程系统概述

离线编程技术是关于在特定的软件环境下，利用计算机图形学的成果建立起机器人及它的工作环境模型，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下，通过软件仿真与调整轨迹过程进行解释或编译产生目标程序代码，将生成相应的机器人程序代码传输给机器人，让机器人在实际环境中完成相对应的任务[11]，即总体上流程这样的，先建物理模型，再进行仿真和编程，最后对结果进行后置处理。离线编程系统主要由建模平台与数据接口、运动学计算、轨迹规划、三维图形动态仿真、传感器、通信接口和误差校正组成[6]。

2 离线编程系统的关键技术

离线编程系统的关键技术的关键技术有运动学计算和分析、轨迹规划、程序模板等等，下面来介绍运动学计算和分析、轨迹规划。

2.1 运动学计算和分析

机器人运动学求解算法对机器人系统离线编程或运动规划的精度和速度的影响很大。由于不同机器人机械结构参数不同、工作环境不同，需要具有适合的运动学求解算法才能很好地满足机器人仿真和工作需要。一般采用D-H法来建立运动学模型[2][12]，在离线编程中的运动学控制模块是用来约束机器人的动作过程，根据环境、任务的不同来建立运动学正逆解模块最优解。

2.2 轨迹规划

轨迹规划主要是指根据作业任务的相关要求，来计算出预期的相关运动轨迹。路径点的运动学逆解和路径插值是离线编程系统中轨迹规划模块的任务中主要的两个问题。轨迹规划方法主要有两种：一种是关节空间的轨迹规划方法要给出轨迹关键点和路径点的一系列约束；另一种笛卡尔空间的轨迹规划方法要给出参数化的路径。其中笛卡尔空间规划方法有直线和圆弧、S速度曲线、多项式、样条曲线；而关节空间规划方法有三次多项式、高阶多项式、梯形速度插补、三次样条曲线[13]、NBRUS插补[14]。

3 离线编程现状和发展趋势

下面简单介绍离线编程现在发展的现状以及未来向哪一方向进行完善。

3.1 离线编程现状

工业机器人是在20世纪60年末由美国研发出来，国外对工业机器人离线编程的研究起步于70年代，而国内机器人离线编程起步于90年代。相对来说国外在工业机器人离线编程的研究比较深入，如有来自加拿大的Robotmaster软件、以色列的软件RobotWorks软件、德国西门子旗下的ROBCAD软件和KUKA公司的KUKA SIM软件、英国系统公司的Grasp软件、法国达索旗下的DELMIA软件、日本的FANUC公司RobotGuide软件和安川电机株式会社的MotoSim EG软件、瑞士ABB公司的RobotStudio软件，这些编程软件在面向对象方面做得比较好，它们分别在生成轨迹、仿真、后置处理等方面有着自己的优势。而我国相对较好的离线编程软件是来自北京的Robot Art软件，能应用于大部分主流工业机器人，也能很好地生成相应的轨迹，它在国内机器人领域是比较先进的。

3.2 离线编程发展趋势

离线编程可以从某些方面进行研究推动其发展，下面浅谈了关于从两个方面去完善离线编程技术：

1） 传感器技术的应用。目前对离线编程实际应用影响比较大的是机器人绝对定位精度。我们需要收集更多仿真与实际应用差别的信息，利用这些信息量弄成相应的算法制成相应的传感器，能减少由于环境不同带来的机器人绝对定位精度。

2） 研究轨迹规划方法，现在的轨迹规划方法能解决基本问题，也存在着缺点。以后利用流形与图论结合起来应用在轨迹规划上，能从几何层面的理论高度上给出一个通用、广泛通用的轨迹研究方法。

4 结论

离线编程技术将发挥着越来越大的作用。一方面工业机器人将会渐渐地应用到生产领域上，未来的生产将会慢慢形成一种先进的柔性生产制造，另一个方面在机器人培训领域，是未来机器人的必然的示教方式，因而离线编程对工业机器人的技术发展起着关键作用，决定着工业机器人作业质量，是工业机器人开发应用研究得一个重要方向。

参考文献：

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[5] 魏志丽， 宋智广， 郭瑞军. 工业机器人离线编程商业软件系统综述[J]. 机械制造与自动化， 2016（6）：180-183.

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[13] Alessandro G，Vanni Z.A technique for time-jerk optimal planning of robot trajectories[J].Robotics and Computer integrated Manufacturing，2008，24（3）：415-426.

[14] 李黎，尚俊云，冯艳丽，淮亚文.关节型工业机器人轨迹规划研究综述[J].计算机工程与应用，2018，54（05）：36-50.

【通联编辑：梁书】