CN103085072A - 基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法，其原理是：在三维建模软件环境下，使用支持COM/OLE等三维建模软件API接口，获取三维建模软件中模型和空间矩阵数据，建立机器人虚拟本体模型和数学模型，实现虚拟机器人运动控制系统；通过获取的空间线条数据，进行曲线到点的离散化，从而生成机器人运动轨迹，模拟实际机器人运行；建立工业机器人控制器运行程序生成模块，生成实际控制器可执行文件，导出到实际机器人控制器运行，实现工业机器人离线编程。本发明能快速实现离线编程工作，自动生成对应点的最佳姿态，产生示教数据的时间更短，并且能方便快捷地实现难以在现实中寻找依据进行示教的空间曲线轨迹。

Description

基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法

技术领域

本发明涉及一种实现工业机器人离线编程的方法。

背景技术

随着劳动力成本的不断提高，工业机器人应用也越来越普及；常规机器人应用编程为人工示教方式，但在一些特殊场合，如现场环境非常恶劣、加工精度要求非常高、激光焊接或切割、喷涂、喷釉、打磨或其他对空间曲线路径有要求的，人工示教已无法满足应用需求，需要一种非在线编程技术，即离线编程技术。工业机器人离线编程技术作为工业机器人应用中一项关键性技术，已渐趋成熟。

中国发明专利申请《机器人离线示教方法》（公开号 CN102004485A），公布了一种通过计算机实现机器人离线编程的方法，该方法在计算机中建立三维模型，并生成轨迹，然后生成机器人运动轨迹。该方法包括：以彼此间隔的方法设定多个虚拟示教点，以便示教附接到虚拟空间生产线中的虚拟机器人上的虚拟工具的运动路径和姿态。设定虚拟工具在一部分虚拟示教点上的姿态，其中所述一部分虚拟示教点分别至少包括起始点和终止点。在所述一部分虚拟示教点之间执行插值操作，以便从起始点到终点顺次地连接所述一部分虚拟示教点，并且使虚拟工具在所述一部分虚拟示数点分别采取设定的姿态。在执行插值操作过程中，每隔预定的间隔将虚拟工具的位置和姿态存储为插值操作点。对于每个不包括所述一部分虚拟示教点的其它虚拟示教点，选择任何满足预定选择标准的所存储的插值操作点。对于每个其它虚拟示教点，读取所选择的插值操作点的姿态数据，并将所读取的姿态数据存储为所述其它虚拟示教点的姿态数据。该发明提出的一种优化方案是：所述预定选择标准为位于距其它虚拟示数点最小距离处的插值操作点。作为根据本发明的预定选择标准，可以设定位于距其它虚拟示教点最小距离处的插值操作点。

该方法存在一下缺陷：虚拟示教点为设定方式，必须手动设定示教点处的位置和姿态，而示教数据包括大量示教点，因此需要很长时间来产生示教数据。虚拟示教点的姿态数据为读取选定点的数据，不能选择最佳姿态数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法，使用支持COM/OLE等三维建模软件API接口在三维建模环境中建立虚拟机器人本体和控制系统，分析和处理生成的、导入的或用户绘制的空间线条数据，生成机器人运行轨迹，模拟实际机器人运行，并转换和生成实际机器人控制器可执行的程序文件，导入实际机器人控制器，使实际机器人按照指定空间轨迹精确运行，实现工业机器人的离线编程。

本发明方法包含以下步骤：

1、数据输入：数据输入的第一部分是空间曲线数据（曲线的三维坐标数据X,Y,Z）和机器人控制数据，该部分为离线编程的原始数据，可由导入或拷贝现有曲线模型、手动绘制空间曲线、手动运动虚拟机器人获取工具末端参数等方法输入；数据输入的第二部分是机器人模型数据和工件模型数据。

2、数据交换和处理：主要处理第1步骤输入数据和三维环境交互数据；对于第一步骤输入数据中的空间曲线，通过COM/OLE等API接口获取空间曲线数据，该数据至少包括起点和终点，比如空间直线，至少有起点三维坐标和终点三维坐标；对于机器人控制数据，获取机器人关节角度值，运用机器人正运动学计算获取机器人工具末端点数据；这些数据存储在曲线处理数据结构内，等待下一步处理。

3、曲线离散化处理：该步骤主要处理由第2步骤获取的空间曲线数据，通过获取空间曲线特征点数据建立方程，比如直线的起点和终点坐标分别为                                                

和

，其中

、

、为起点

的坐标，

、

、为终点

的坐标；则其空间方程为

根据输入数据配置要求将空间曲线离散为指定数量的点，并获取到所有点的数据信息；比如上述直线方程设定的离散点数为k，对于其中第i点的坐标

为：

这些点的信息存储在曲线数据结构中。

4、轨迹生成：根据第3步骤获取到空间曲线离散后的点的数据信息，生成机器人运动轨迹；

5、虚拟机器人运动控制：虚拟机器人运动控制包括机器人关节运动控制、直角坐标系运动控制和运动到指定空间点的控制，并模拟运行生成的机器人运动轨迹。对于关节运动控制为控制各个关节的正向和反向转动；对于直角坐标系控制，控制机器人直线运动或旋转；对于运动到指定空间点的控制，选取一个空间点或输入空间点坐标，然后选取该功能，机器人则通过反向运动学算法运动到该点；对于每个点有不同的机器人运动姿态，通过控制虚拟机器人到达每个点进行调节或自动调节；其中手动调节即在点的位置旋转机器人工具坐标系达到目的；自动调节可以通过以下方式计算得出：

对于一般工业机器人变换矩阵

可写成：

上式中

为第一个关节相对于机器人基座标零点的空间矩阵，

为第二关节相对于第一关节的空间矩阵，为第N关节相对于第N-1关节的空间矩阵；

至

为表示机器人末端旋转姿态的子矩阵，x、y、z为机器人末端坐标。

其中姿态变换矩阵

为：

姿态向量的三个坐标值

、

、

：

机器人在零点时姿态向量的三个坐标值为：

 ,

 ,

三维建模软件提供点相对于指定面的法向量为：

则最佳的姿态向量的另外两个坐标

、为：

通过该方法可以自动计算轨迹点起始姿态或自动计算其他轨迹点的姿态。

 

6、轨迹模拟运行：对于模拟运行组织好的曲线，虚拟机器人则逐个读取曲线数据结构中每个点的信息，经过反向运动学运动到这些点；虚拟机器人依照生成的轨迹和姿态模拟实际机器人运行，如果发现运动过程中有问题的点，可以通过修改曲线数据结构中的点数据进行修正；

7、控制器数据文件转换和生成：不同的机器人控制器其可执行文件的格式不一样，需要具有针对性的转换，建议都采用直线或圆弧方式，因为点的数据是空间坐标，采用直线或圆弧可以和控制器末端点路径规划坐标系吻合，根据对应的控制器指定的机器人语言法则可以生成对应的可执行程序文件；

8、将已生成的可执行文件导入对应的实际机器人控制器，则实际机器人运行第1步骤中输入的轨迹数据。

对于机器人轨迹，可以通过在三维建模软件中绘制空间曲线，从而很方便的获得。虚拟示教点为根据获取的参数计算，虚拟示教点的姿态数据采用最佳姿态计算的方法获取。本发明能快速实现离线编程工作，能够自动生成对应点的最佳姿态，由此产生示教数据的时间比人工示教方式更短，并且能方便快捷地实现难以在现实中寻找依据进行示教的空间曲线轨迹。

附图说明

图1 离线编程装置结构示意图。

图2 空间曲线示意图。

图3 空间曲线离散化示意图。

图4 机器人运动轨迹模拟运行示意图。

具体实施方式

    下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

图1中为实现该方法的计算机装置，包括计算机主体和显示器16、数据输入的键盘17和指向作用的鼠标18。

计算机主体16为个人计算机，该计算机具有三维建模环境2，用作主控和计算的CPU读取并执行三维建模环境，并产生曲线起始点和特征点数据，计算轨迹点数据并处理生成实际机器人控制器可执行程序文件11，该文件通过TCP/IP或USB方式传送到实际机器人系统15，文件中的数据用于实际机器人系统15的运行。

假设以图2中通用六自由度串联机器人20为离线编程目标，并在工件21上实现曲线22的轨迹运动。

输入的数据为机器人三维模型数据和工件三维模型数据以及机器人轨迹曲线数据1，工件模型数据作为生成机器人轨迹的依据，通过三维建模环境可以在工件模型上绘制出机器人运动轨迹22。就工具19而言，机器人可以附接不同的工具。

数据输入1不经过数据转换，直接在显示设备16上直接显示、位置确定和干涉确认。

三维建模环境2用于产生并编辑输入数据1中在三维建模环境中手动绘制或从外部导入的曲线。计算机主体16除三维建模环境2外的其他部分都将编译到dll文件中，三维建模环境通过导入该dll文件，采用COM/OLE等API接口3方式执行其他部分。

三维建模环境具有导入三维模型的功能，并能改变模型或布局，并可以在虚拟的三维空间内绘制用户指定的空间曲线，用于生成离线示教点数据。

在数据交互和处理曲线22过程中，并获取输入数据1中相关模型数据和空间矩阵参数，以控制机器人的运动。由于机器人运动的特殊性，这里的机器人模型是具有针对性的机器人模型，和机器人算法运算的数学控制模型吻合。该步骤中还需要建立虚拟示教器23，使用户能够友好方便的操作虚拟机器人20、编辑曲线结构数据、轨迹生成处理、可执行文件生成等操作。

机器人虚拟示教器部分23能够通过三维建模软件API接口3操作虚拟空间中的机器人模型，而且提供实际机器人示教器等效的操作函数，并且虚拟示教器23能够通过计算机主体和显示器16中的显示器显示。

虚拟示教器23具有等效于实际机器人示教器的函数，能够设定每个轴的正反转限位，能够创建和编辑虚拟示教点，能创建和编辑运动、逻辑判断、输入输出以及其他的实际示教器上拥有的指令。通过虚拟示教器23可以改变虚拟机器人运动的坐标系（关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系、工件坐标系、用户坐标系等），可以进行编辑运动指令或编辑虚拟示教点指令等，可改变运动指令为线性插补方式或圆弧插补方式。虚拟示教器23能够在鼠标按住不放同时以低速连续地进行预订操作，并且根据预订指令使机器人模型以预定速度运行。

在使用虚拟示教器23编辑工作完成后，通过手动运行确认轨迹的正确性，然后切换到自动操作状态以驱动虚拟机器人20，按照顺序执行机器人的运动仿真。

根据上述的方法，先通过三维建模软件API接口3获取到需要编辑曲线的参数，建立方程，比如开始点坐标和结束点坐标等，根据设定的点数量计算插补点，并生成轨迹点24，如图2所示。

获取到的曲线数据需要存储在内存中，并和离散的点数据一一对应，通过建立的虚拟示教器23对曲线和点进行编辑、整理、删除等操作，形成用户指定的机器人路径轨迹；使用姿态自动计算方法计算每个点的姿态，该姿态存储到曲线结构数据对应的每个点的姿态数据中；通过使用轨迹模拟运行功能6模拟仿真实际的机器人动作，优化机器人路径和姿态，并将优化后的数据更新到曲线结构数据中，如图3所示。

由曲线结构数据中曲线、点和轨迹数据通过控制器程序文件数据转换和生成10生成指定机器人控制器的可执行程序文件。在虚拟示教器23中切换到手动运行方式，连续运行以确认轨迹和姿态的正确性，如果有问题就返回上一个步骤，重新编辑曲线或点的数据，直到数据正确为止。然后切换虚拟示教器到自动运行状态，用自动运行方式确认轨迹和点的正确性，以及速度是否和工艺匹配，如果不匹配则调整速度，直到达到指定要求。上述工作完成后，即可通过控制器程序文件数据转换和生成10生成指定的控制器程序文件。

对于不同的机器人控制器而产生的数量不同，将文件导入到机器人控制器，运行该程序即完成离线编程功能。

Claims (3)

1.一种基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法，包含以下步骤：

a、数据输入：数据输入的第一部分是空间曲线数据和机器人控制数据；数据输入的第二部分是机器人模型数据和工件模型数据；

b、数据交换和处理：对于步骤a中的空间曲线数据，通过COM/OLE等API接口获取；对于机器人控制数据，获取机器人关节角度值，运用机器人正运动学计算获取机器人工具末端点数据；将获取的空间曲线数据和机器人控制数据存储在曲线处理数据结构内；

c、曲线离散化处理：通过获取三维建模环境中空间曲线特征点数据，建立空间方程；根据输入数据中配置要求将空间曲线离散为指定数量的点，并获取到所有点的数据信息并存储在曲线数据结构中；

d、轨迹生成：根据空间曲线离散后的点的数据信息，生成机器人运动轨迹；

e、虚拟机器人运动控制：虚拟机器人运动控制包括机器人关节运动控制、直角坐标系运动控制和运动到指定空间点的控制，并模拟运行生成的机器人运动轨迹；对于关节运动控制为控制各个关节的正向和反向转动；对于直角坐标系控制，控制机器人直线运动或旋转；对于运动到指定空间点的控制，选取一个空间点或输入空间点坐标，然后选取该功能，机器人则通过反向运动学算法运动到该点；对于每个点有不同的机器人运动姿态，通过控制虚拟机器人到达每个点进行手动调节或自动计算最佳姿态数据；

逐一计算轨迹点起始姿态和其他轨迹点的姿态；

f、轨迹模拟运行：虚拟机器人逐个读取曲线数据结构中每个点的信息，经过反向运动学运动到这些点；虚拟机器人依照生成的轨迹和姿态模拟实际机器人运行，如果发现运动过程中有问题的点，则通过修改曲线数据结构中的点数据进行修正；

g、控制器数据文件转换和生成：根据对应的控制器指定的机器人语言法则，生成对应的执行程序文件；

h、将已生成的执行程序文件导入对应的实际机器人控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法，其特征是：

所述数据输入，空间曲线数据的输入方式采用：导入或拷贝现有曲线模型或手动绘制空间曲线；所述机器人控制数据输入采用手动运动虚拟机器人获取工具末端参数方法输入。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法，其特征是：对于空间曲线离散得到的点的姿态数据为自动计算的最佳值。

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