前此课内容回顾 1.3 机器人学与人工智能的关系 机器人学与人工智能的关系 智能机器人   第二章 工业机器人 第一节 世界工业机器人的概况与预测 概况 预测 发展 欧美快速追赶日本 机器人性能上升，价格下降 中国工业机器人进展

第二节 工业机器人操作机结构 杆件与自由度 2. 自由度的构成 3. 所谓奇异点，奇异点的回避问题 第三节 工业机器人控制 1. 机器人控制技术的发展 2. 机器人控制的基本原理

2.4 工业机器人编程及仿真 机器人本来应该能自主地进行运动，但是，现阶段的机器人还没达到这个水平，为了让机器人产生出我们所希望的动作，就必须预先设计机器人的运动过程和编制完成这种运动过程的先后顺序，这和计算机中编制程序的概念是一样的。 早期的机器人编程是人通过手把手地示教进行的，示教时把机器人各个关节的角度用多通道记录仪记录下来，然后根据所记录的信号让机器人再现与这些关节角度一样的动作，从而实现人们对机器人的编程。这个过程很像录音机在录制完声音后再重放这种声音的过程。这种方式在机器人技术中叫做示教再现 (teaching play-back)。 后来，人们使用一种形式语言来描述机器人的运动，这种形式语言叫做机器人语言(robot language)。

机器人语言出现后，人们可以使用示教盒和机器人语言来对机器人进行编程。 方法是:用示教盒将机器人移动到作业位置，然后用机器人语言记录这些位置信息、运动形式和作业内容，形成一个用机器人语言编写的机器人作业程序。执行这些程序，机器人就完成了预定的作业任务。 通过机器人运动而对其进行示教的方法叫做在线编程 (on-line programming)示教法。 与此对应，不需要机器人运动而对其进行示教的方法叫做离线编程 (off-line programming)示教法。在离线编程示教法中，一般使用机器人语言和CAD技术进行编程。 把示教再现法和使用机器人语言进行编程示教法作一比较，可以看出示教再现法的优缺点，如表2-4所示。

2.4.1 机器人编程的种类与特征 (1) 机器人语言的定义及其特征 机器人编程定义是:“一种期望机器人完成某种作业的动作顺序的描述”。 机器人语言就是为了方便地进行这种描述而发明的一种编程语言。 机器人语言是 “一种程序语言，一种用于向机器人系统进行输人的形式语言，这种形式语言以人们容易理解的方式，使机器人能够完成人们所期望完成的作业或动作”。 机器人语言的含义是:"机器人语言是在人与机器人之间的一种记录信息或交换信息的程序语言"。

机器人语言具有下述四方面的特征: 1)实时系统; 2)三维空间的运动系统; 3)良好的人机接口; 4)实际的运动系统。 此外，机器人语言系统必须 是容易掌握和使用的语言系统。 (2) 机器人语言程序流程

2.4.2 机器人的语言功能 机器人的语言功能是对机器人动作进行描述和控制作业的流程。机器人运动轨迹的控制方式有两种。 (1) CP控制方式 CP是英文continuous path control 的缩写，表示一种机器人连续轨迹控制方式，或表示指定机器人全部运动轨迹的控制方式。 (2) PTP控制方式 PTP是英文Point-to-Point control的缩写，是机器人轨迹上的一种点位控制，它仅考虑控制的点位是否到达，而不考虑各点位之间的轨迹形态。 在CP控制方式中，实际上是在PTP控制方式中尽量把插补点的间隔取得很小，使得这些插补点之间的连线近似于一条连续曲线。

一般工业机器人的插补轨迹分为三种类型: 一种是直角坐标系中的直线插补，目的是使机器人的末端沿直线运动; 另一种是圆弧的插补，它使机器人末端沿圆弧运动; 第三种是关节空间中的插补，它只能使机器人从某一点到另一点，而不保证机器人末端的任何轨迹。 在机器人作业中，根据不同的作业要求，选取相应的轨迹插补方式，一般情况下是儿种插补方法的混合使用。

2.4.3 仿真技术 (1) 概述 机器人仿真技术 若要通过计算机自动控制机器人产生人们所期望的动作，就必须在计算机内部建立某种模型，机器人根据这种模型对动作进行规划，并自动地生成完成这些动作的目标程序。为了达到这个目的，需要把机器人操作机和机器人所在的作业环境抽象为某种模型，并且必须对人们所设计的机器人动作进行仿真。 仿真技术在机器人的设计和应用中起着重要作用。一般来说，机器人仿真技术涉及的范围很广，但是大致可以把机器人仿真技术分为两大类: a. 设计机器人时结构分析和运动分析的仿真技术; b. 支持机器人编程的仿真技术。

机器人作业示教的仿真 由于引人了仿真技术，在对机器人进行作业示教的编程系统申就能实现如下的功能:  a. 不用让机器人动作就能 预先对其运动情况进行检查; b. 能以对话形式对机器人 运动进行示教; C. 能对机器人的运动进行 规划，自动生成运动轨迹， 使机器人自主地工作。

（2）机器人建模 在机器人的仿真技术中，建模技术是核心，把计算机辅助设计系统 (CAD)和机器人编程系统综合在一起，是机器人仿真系统的重要的研究方向之一。在这种综合系统中建立机器人模型时需要下述几方面的信息: a. 对机器人机构进行分析; b. 用于避碰和机器人运动规划的作业对象和机器人本体的三维信息; c. 对作业对象与机器人本体之间的约束关系、递阶关系和连接关系等方面进行描述的信息; d. 与机器人完成作业过程有关的知识。

(3) 支持机器人编程的仿真技术 离线仿真技术 机器人的运动主要以程序控制的运动为主。自从在生产线上大量应用机器人以来，人们对采用仿真技术的离线编程系统 (off-line programming system)的重要性有了深刻的认识。离线编程系统以CAD系统的零件数据为基础，通过图形仿真技术确认机器人的运动状态。 离线仿真技术 (off-line simulation)能验证机器人向目标点靠近时的运动状况，也能验证机器人的运动轨迹、碰撞检测、机器人之间的同步动作以及估计机器人的运动时间等。 在线仿真技术 (on-line simulation) 对机器人在线程序控制系统进行仿真，就是对机器人实际的运动进行仿真，当前的仿真结果将对其后的动作起指导作用。对于那些不能预测的事态就不能采用离线仿真方法，而只能用在线仿真方法，根据不同的状况进行机器人运动路径的规划和运动轨迹的修正。

2.5 典型的工业机器人 2.5.1 弧焊机器人 (arc welding robot) (1)弧焊机器人的应用范围 弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用，这是因为弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及的缘故。 弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。

(2)弧焊机器人的的性能要求 在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。 一般情况下，焊接速度约取5一50mm/s，轨迹精度约为士(0.2一0.5)mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定的影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。

(3) 弧焊机器人的分类 从机构形式看，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。 对于小型、简单的焊接作业 ，机器人有四五轴即可以胜任了; 对于复杂工件的焊接，采用六轴机器人对调整焊枪的姿态比较方便; 对于特大型工件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用。 (4)典型弧焊机器人的规格 图2-24是一个典型的弧焊机器人系统，它主要包括三大部分:机器人操作机、机器人控制器和焊接系统。表7-1是典型弧焊机器人的规格。

(5)弧焊机器人技术的发展趋势 光学式焊接传感器 当前最普及的焊缝跟踪传感器为电弧传感器。但在焊枪不宜抖动的薄板焊接或对焊时上述传感器有局限性。因此检测焊缝采用下述三种方法： a.把激光束投射到工件表面，由光点位置检测焊缝; b.让激光过缝隙，然后投射到与焊缝证交的方向，由工件表面的缝隙光迹检测焊缝; c.用CCD摄像机直接监视焊接熔池，根据弧光特征检测。 标准焊接条件设定装置 为了保证焊接质量，在作业前应根据工件的坡口、材料、板厚等情况正确选择焊接条件 (焊接电流、电压、速度、焊枪角度以及接近位置等)。

离线示教 大致有两种离线示教的方法: a. 在生产线外另安装一台所谓主导机器人，用它模仿焊接作业的动作，然后将制成的示教程序传送给生产线上的机器人; b. 借助计算机图形技术，在CRT上按工件与机器人的配置关系对焊接动作进行仿真，然后将示教程序传给生产线上的机器人。 其 他 在弧焊机器人系统的周边设备中有一种逆变电源。由于它靠集成在机内的微机来控制，因此能够精细地调节焊接电流，人们期待着它在加快薄板焊接速度，减少飞溅，提高起弧率方面发挥作用。

2.5.2 点焊机器人 (1)点焊机器人的应用范围 汽车工业是点焊机器人一个典型的应用领域。一般装配每台汽车车体大约需要完成3001一4001个焊点，而其中的60%是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达151台。 引人机器人会取得下述效益: a.改善多品种混流生产的柔性; b. 提高焊接质量昈提高生产率; c. 把工人从恶劣的作业环境中解放出来。 今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱装备。

(2)点焊机器人的性能要求 最初，点焊机器人只用于增强焊作业 (往己拼接好的工件上增加焊点)。后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。 具体来说有: a.安装面积小，工作空间大; b.节距的多点定位 (例如每0.3一0.4S移动30一50mm节距后定位); c.定位精度高 (+0.25mm)，以确保焊接质量; d.持重大 (60一150kgf)，以便携带内装变压器的焊钳; f.示教简单，节省工时 g.安全可靠性好。

(3) 点焊机器人的分类 在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电机驱动方向过渡。随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面的进步日新月异。 在机型方面尽管主流仍是多用途的大型六轴垂直多关节型机器人，但是出于机器人加工条件的需要，一些汽车制造厂家也在进行开发立体配置的3一5轴小型专用机器人的尝试。 (4)典型点焊机器人的规格 以持重120kgf，最高速度4m/s的六轴垂直多关节机器人为例，其规格性能如图2-25、图2-26及表7-8所示。这是一种典型的点焊机器人，可胜任大多数本体装配工序的点焊作业。

(5)点焊机器人技术的发展动向 目前正在开发一种新的点焊机器人系统，它的概念如图2-27。这种系统力图把焊接技术与CAD、CAM技术完美地结合起来，提高生产准备工作的效率，缩短产品设计投产的周期，从而使整个机器人系统取得更高的效益。