工业机器人路径规划及仿真
2019-10-21岳刚金鑫曹学坤
岳刚 金鑫 曹学坤
摘 要：对于类似笔形的工业机器人执行器，比如吸盘、气爪、焊枪等，在示教编程作业时，经常会出现示教点高度不一致的问题，从而导致工具碰撞、轨迹深浅不一、路径凌乱等问题。但是对于简单任务，若采用离线编程，又浪费时间。在此以机器人写字为例，讨论运用RelTool功能，实现通过示教编程，实现书写较标准文字的机器人编程方式。实践证明，此方法能有效避免由于示教点不准造成的工具碰撞等问题。
关键词：工业机器人;工具碰撞;示教编程
中图分类号：TH122 文献标识码：B
Abstract：For pen-like industrial robot actuators，such as suction cups，gas claws，welding torches，etc，the height of teaching points is often inconsistent during teaching and programming operations，which leads to tool collision，different depth of trajectory and disordered path.But for simple tasks，offline programming is a waste of time.Taking the robot writing as an example，this paper discusses how to use RelTool function to realize the robot programming mode of writing more standard words through teaching programming.Practice has proved that this method can effectively avoid tool collision caused by inaccurate teaching points.
Key words：Industrial Robot;Tool Collision;Teaching Programming
随着自动化和控制技术的发展，工业机器人作为中国制造2025中重点发展领域之一，在经济生产领域应用广泛，尤其是汽车行业，再加上近年来人力成本的上升，工业机器人产业和教育的发展越来越受到重视。
当前的职业院校基本已经完成了工业机器人专业建设，开始招生，有些先进的学校已经有了毕业生，不仅如此，本科院校也在积极参与工业机器人专业建设，但由于缺乏经验，工业机器人专业人才培养的过程中，确实是摸索中前进。
在工业机器人实操与应用课程中，需要通过综合实训提升学生对技能的掌握程度，较常用的综合实训是机器人写字。但在写字时会遇到笔芯碰撞、轨迹深浅不一、字体凌乱等问题，针对此问题，展开了研究，找到了如下解决方案。
1 目標点建立步骤
1.1 RelTool指令
RelTool（Home，15，50，Height_H）
Home代表被偏移点的坐标，Home的数据类型应该为Robtarget，这样才能够依据不同的工件坐标系改变机器人的运动轨迹。
15代表X方向的偏移量为15mm，50代表Y方向的偏移量为50mm，Height_H代表在Z方向的偏移量为Height_H的值。
1.2 绘制目标文字的坐标图
在白纸上书写目标文字，然后在纸上建立坐标系，分别确定各目标点的坐标。平面坐标值如表1所示，坐标图如图1所示。
1.3 确认途径点位
在写字过程中，必然需要提笔与落笔，例如，机器人从点①运行到点②后，需要提笔，移动到点③的正上方，落笔到点③。所以需要确定各途径点的高度，设为Height_H。
在实际运行中，由于纸面与机器人书写笔之间的距离不定，所以需要在运行中调整，因此八个落笔点需要设定高度，设为Height_L。
1.4 确定原点坐标
设原点目标点为Home，则机器人其他目标点的坐标值可推导为表2。这样避免了逐点示教的繁琐，也使得各点高度一致，避免字迹深浅不一的现象。
2 实操过程
2.1 程序编写及仿真
在RobotStudio中，建立工业机器人工作站，按照设定好的轨迹点编写程序，并完成仿真运行，编写的程序如下：
PROC R_Write（）
MoveJ RelTool（Home，0，0，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveJ RelTool（Home，15，50，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，15，50，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，60，50，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，60，50，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveJ RelTool（Home，23，30，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，23，30，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，57，30，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，57，30，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveJ RelTool（Home，10，10，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，10，10，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，70，10，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，70，10，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveJ RelTool（Home，40，50，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，40，50，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，40，10，Height_L），v1000，fine，tool0;
MoveL RelTool（Home，40，10，Height_H），v1000，fine，tool0;
MoveJ RelTool（Home，0，0，Height_H），v1000，fine，tool0;
ENDPROC
仿真效果如图2所示：
2.2 实际操作
将编好的程序用U盘导入到工业机器人示教器中，这时需要对工具坐标系、工件坐标系、示教点、Height_L和Height_H的值进行设定和匹配。
设定工具坐标系，工具坐标系标定工具TCP点的位置，因为实际机器人工具的形状、TCP点Z轴的方向不同，所以需要重新标定。
设定工件坐标系，工作台面通常与机器人底座存在一定夹角，即使看起来水平，但总会有倾斜，所以需要进行设定，以使所有点位的高度符合预期。
示教Home点的位置，Home点是所有轨迹点的参考点，需要寻找合适的位置进行示教，以保证其他轨迹点的正确性，一般Home点位于工作台面的右下角。
通过调整Height_L和Height_H的值，实现书写高度的控制，进而完成文字书写。
首先设定Height_L=-50、Height_H=-50，之后运行程序，观察程序运行轨迹是否符合预期，这时所有轨迹均在工作台上方50mm处，故机器人工具不會与工作台接触，保证了试运行的安全。若整体轨迹不居中，则调整Home点的示教位置，直到居中为止。
之后将程序运行至第三行处，即：
MoveL RelTool（Home，15，50，Height_L），v1000，fine，tool0;
停止运行，这时打开示教器的手动操作页面，记录当前Z轴坐标，设为Z 0，切换到线性运动，手动移动机器人Z轴，直到工具TCP到达工作台面，记录当前Z轴坐标Z 1，计算二者差值△Z=Z 1-Z 0，此时Height_L=-50+△Z，这样机器人工具TCP点就可以准确的到达工作台面。
在实际运行中，若工作台面水平度太差，超出了机器人笔尖的弹性范围，可能会损坏笔尖，这时需要在实际工作台面上建立工件坐标系，并修改程序中的坐标点位置。同时设定工件坐标系也适用于任意角度斜面上文字的书写。
同时需要注意的是，Height_L和Height_H的变量类型都需要设定为常量，因为对于同一个工作台面来讲，高度值是确定的常数，并且常量在机器人中不会被清零，而建立程序数据时，默认的类型
3 结论
设计了文字书写的工业机器人实训项目的实施方法，通过此方法能避免笔芯碰撞、轨迹深浅不一、字体凌乱等问题。已经在实际中进行运用，效果良好。有效降低了工业机器人碰撞的发生率，延长了机器人使用寿命，降低了学习难度。此方法可以推广至多种任务的编程过程中，例如焊接、码垛、装配等。
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