(合肥职业技术学院, 安徽 合肥 230012)

0 引 言

工业机器人仿真系统是指在工业机器人领域上的，通过计算机仿真技术对特定应用场合进行工业机器人系统建模、编程以及进行可行性分析，最终确定系统方案的软件平台[1]。离线编程是指通过仿真系统对工业机器人系统方案的可行性进行验证，并借助仿真环境完成预编程[2-5]。工业机器人系统通常造价很高，借助离线编程，能够降低工业机器人系统的调试时间，提高系统的生产有效时间。

随着消费品个性化需求的提高，产品的迭代速率越来越快，产品趋于有个性化引起的中小批量生成，传统的离线编程及仿真技术越来越不能更好适应这一发展趋势。因此设计一种工业机器人易编程系统。系统主要包括软件和硬件两部分：软件部分在各层次设计方案，通过创建易编程项目提高机器人编程的自动化水平，减少编程过程中的重复工作；硬件部分除了常规的机器人系统外，增加传感器反馈数据，为编程的自动化提供数据支持。据此设计以面加工为目的基于视觉传感器的工业机器人易编程系统软件。

1 系统组成

为了实现将工业机器人应用的复杂度尽可能的降低，构建了如图1所示的工业机器人易编程系统结构。该工业机器人易编程系统结构是将原本链状的离线编程过程，通过传感器和通信形成了一个闭环，将更多原本需要专业人员调试的环节交由系统自动完成[6]。旨在提高系统的智能水平，降低对技术人员的依赖以及提高工业机器人部署的效率。由图1可以看出，易编程软件系统获取传感器数据和机器人控制器中存储的机器人参数，并将这些数据分类整合到易编程软件中，由易编程系统依据模型文件和加工任务文件，结合传感器数据创建工业机器人编程任务，生成机器人程序文件，最后下载到机器人控制器中，驱动机器人完成特定任务。

工业机器人易编程系统以将设计文件为输入，通过软件交互完成机器人编程，创建易编程项目，并且通过传感器数据和机器人控制器数据的获取降低机器人编程过程中对相关知识的依赖程度。该系统能通过修改加工对象的设计文件，快速更新工业机器人的程序文件，从而完成新的任务。工业机器人易编程系统能很好地避免无意义的重复性编程。

工业机器人易编程系统能够有效的将一类加工任务封装起来，并结合相关数据的反馈构建闭环，实现工业机器人的以离线编程为基础的易编程。该系统结构将原来复杂的工业机器人系统设计，简化为仅需通过 CAD 软件绘制设计文件，即可修改工业机器人的加工任务。

1.1 系统软件

易编程系统是以离线编程方案为基本构架搭建起来的，主要由建模、任务、仿真和后置处理四个主要部分构成的易编程软件系统。其中任务作为易编程系统软件的核心，将离线编程提升到易编程阶段。

图1 工业机器人易编程系统结构图

建模是易编程系统软件的基础，由用户导入各类设计文件，包括预先使用CAD软件绘制好的工业机器人工作站组的模型文件，以及描述加工任务的数据文件等，从而构建起工业机器人应用方案的环境模型。易编程系统软件设计了包括不同类型模型的定义方案、加工数据的解析和管理方案、模型和数据的组织方案，以及用户建模交互程序在内的基础功能方案。易编程软件的建模通过交互程序指导用户将模型文件组织为一个定义清晰、管理有序的易编程项目文件。易编程软件的项目文件，能够有效的存储和管理用户设计文件和相关数据，并清晰的定义工业机器人工作站各部件的组织结构和功能划分。为简化建模工作的复杂度，提供一套可扩展可复用的软件设计方案。

任务是易编程系统软件的核心。模型中已经完成了一个或数个工作站模型的构建，然后在一个工作站内部，以描述加工任务为目的，构建用于关联模型对象和相关数据的“任务”对象。“任务”对象是用来描述加工任务的一个基本单元。根据工作站类型的不同，一个工作站可能包含多个“任务”对象，描述着一组加工任务的基本单元。这一组加工任务共同描述一个工作站的加工任务。易编程系统软件设计了工艺数据参数管理用数据库方案、传感器数据采集处理和传输方案、工业机器人参数采集管理方案，以及“任务”数学模型构建和管理方案。从而解决从模型到现场的关联问题，简化离线编程的模型标定和自动离线编程。降低了工业机器人应用时对人员专业技术水平的要求，简化工业机器人编程和调试过程。

仿真是易编程系统软件的必要组成部分，主要用来调用“任务”对象，驱动三维模型运动，在仿真环境下完成加工目标，依靠三维仿真验证加工任务是否符合加工要求。后置处理则是依据正确的仿真产生的数据，根据机器人控制器的型号和语言标准转换为指定的机器人程序文件。

1.2 系统硬件

易编程系统硬件提供传感器反馈工业机器人应用环境各对象的数据，以及通过工业机器人控制器获取机器人相关参数。在工业机器人编程过程中，包括工业机器人和关键对象的相对位姿关系，工业机器人 DH 参数的标定数据，工业机器人末端工具坐标系的标定以及被加工对象的相对位姿关系等因素，都对编程过程产生影响。通过现在的传感器技术和通信技术，将以上信息获取到系统软件中，能够有效地提高系统的智能水平，系统将根据上述数据完成调整工业机器人应用环境模型的位姿、加工任务的决策和轨迹的规划等任务。

易编程工业机器人系统是在传统离线编程技术的基础上，通过添加传感器为机器人添加一定的自我判断和决策的能力，并结合流程自动化提高各个部分的自动化水平。使整体系统的柔性得以提高，实现将设计文件作为输入，高效柔性机器人编程。

2 系统设计

面对中小企业平面加工现实需求，开发了一套以平面加工任务为目标的工业机器人易编程软件系统是非常必要的。常见平面加工任务有板材激光切割、平面切削加工、去毛刺加工等。结合智能制造企业平面加工任务的具体需求，设计了图2所示的工业机器人易编程系统实现方案。在该方案中，研究与开发的主要任务集中在工业机器人易编程软件的实现上，对机器人系统和视觉定位系统进行集成开发，以满足系统需要。

图2 工业机器人易编程系统实现方案图

2.1 系统需求

根据易编程系统实现方案，结合系统需求，确定系统具有以下功能：

(1)设计文件中包括了工件模型和使用DXF文件描述的加工任务轨迹，并且工件模型和机器人加工的工件是相对应的。

(2)通过摄像头获取工件图像，经视觉处理、计算机图形识别，获取定位数据，完成工件坐标系的标定，使仿真环境中加工对象与实际中加工对象相吻合。

(3)从机器人控制器中获取工业机器人的关键参数，使软件中的机器人模型与实际的机器人参数相对应。

(4)构建一个只需要输入设计文件就能驱动机器人完成特定加工任务的工业机器人易编程系统。

(5)软件项目可以保存，存储构建的模型和任务，各对象相关数据。能够通过系统加载项目文件可自动重建项目环境。

2.2 模块划分

工业机器人易编程系统软件有四个部分构成，根据具体实现，将软件划分为提供基本函数库的工具包、实现具体功能的应用程序模块、接收数据输入或扩展功能的应用程序接口，以及由四个部分以及辅助工具构成的应用层。如图3所示。

应用层四个部分：建模，用户通过交互操作将使用CAD软件绘制的设计文件加载到易编程软件中，构建起工业机器人应用环境的组织结构和三维模型；任务，易编程软件从机器人控制器中获取工业机器人的工具坐标系参数和关节标定参数，从视觉处理计算机获取定位数据用于标定工件的坐标系，将以上数据输入任务，并结合模型和加工任务创建针对平面加工任务构建的“任务”对象；仿真，执行“任务”对象中定义的加工任务，驱动仿真环境中的三维模型运动，在三维仿真环境中将加工过程呈现出来，以验证工业机器人运动轨迹是否达到实际加工的需求，并存储仿真过程的中运动控制数据；后置处理阶段，将根据具体的机器人控制器型号和机器人程序的标准，将仿真获得的运动控制数据转换为机器人程序文件，以驱动机器人完成加工任务。

图3 工业机器人易编程系统软件模块图

图4 易编程系统标定及定位方案

工具包由渲染引擎Coin3D、Qt的SDK，以及DXF解析开源代码DXFLib构成。Coin3D主要负责三维图形的管理和渲染，三维交互开发。Coin3D拥有完善的3D解决方案：可直接读入VRML格式的三维模型，拥有用于管理模型的树型内建数据库，以及实用的三维交互事件响应机制。Qt作为一款功能强大的综合跨平台的开发平台，拥有良好的交互设计能力，以及一些基础的功能库，是软件开发的有力工具。通过设计DXF解析，采用比较成熟的开源代码DXFLib是一种高效的方法方案，同时程序质量也较容易保证。

应用程序模块主要划分为：项目管理模块、模型管理模块、数据管理模块、任务管理模块、运动参数管理模块、运动仿真管理模块、后置处理模块以及易编程过程管理模块。项目管理主要负责工业机器人易编程软件数据在内存与文件存储之间交换。模型管理主要完成模型的构建过程，包括模型的三维组织、布局和相应的运动算法。数据模块是易编程软件数据在内存中的载体，是数据集中管理的模块。任务管理模块主要负责加工任务的组织和描述。运动参数管理主要负责将通过接口获取的数据更新到模型中。通过运动仿真来完成工业机器人的仿真过程，驱动各模型按照加工任务运动，验证编程的正确性。后置处理是将编程结果按照具体机器人的语言规范转换成机器人程序。易编程过程是指带视觉定位的自动化的编程过程的实现。

应用程序接口是指软件从硬件获取数据或扩展外部算法的模块。主要包括传感器数据接口、机器人参数接口、工具参数接口和运动规划接口。 其中传感器数据接口是获取传感器返回的定位数据的，机器人参数接口和工具参数接口是从机器人控制器获取相应参数的。运动规划接口是对轨迹操作的一个算法扩展接口。

2.3 系统标定与定位

在工业机器人编程过程中，工业机器人和被加工对象的相对位姿关系，工业机器人DH参数的标定数据，以及工业机器人末端工具的工具坐标系标定数据都需要通过硬件设备获得，如图4所示。

工业机器人官方都会提供工业机器人参数的标定方案，并将相关算法封装在机器人控制器中，因此，机器人参数的标定仅需参照工业机器人相关手册即可完成。工业机器人DH参数的标定数据，工业机器人工具坐标系标定数据均可通过机器人控制器获得，将标定数据传输给工业机器人易编程软件的机器人参数数据接口，将数据同步到对应模型。

工业机器人和被加工对象的相对位姿关系是工业机器人完成加工任务的前提。系统中，通过摄像头获取工件图像，将图像传输到一台专用的视觉处理计算机中，经图像识别，获取工件定位数据。将定位数据传输给工件的坐标系标定接口，将数据同步到工件模型。

通过上述过程，便可将工业机器人易编程软件环境和硬件环境的关键参数同步起来，构建软件和硬件沟通的桥梁，同时为机器人编程过程提供了一条反馈机制，使工业机器人编程形成一个闭环。

3 结 语

在机器人离线编程技术的基础上，确立了工业机器人易编程系统的整体结构 ，并以平面加工为目标设计了一套工业机器人易编程系统。从系统需求、软件功能划分和标定定位方案三个面详细的阐述了工业机器人易编程系统的设计与实现方案，目标是提高机器人编程的自动化水平。