工业机器人仿真与轨迹规划

范振全， 孔维政

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

工业机器人是工业领域自动化的多关节机械手或多自由度的机器人，是可以自动执行工作的机械装置，靠自身动力和控制能力实现各种功能的一种机器，由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成[1,2]。它可以通过人类手动控制来工作，也可以通过PLC编程等其他编程方式实现其自动化控制。目前市场上使用的大多工业机器人都是通过编写内部程序进行自动化控制。

工业机器人应用十分广泛，包括码垛、焊接、喷涂、组装、采集和放置、产品检测和测试等多种行业，所有工作的完成都具有准确性、高效性、速度和持久性[3,4]。但是目前工业机器人工作效率仍然具有很大的提升空间，这就需要我们进行工业机器人的仿真与轨迹规划，规划的任务是根据给定的路径点规划出通过这些点并满足边界约束条件的光滑的最优运动轨迹，提高效率，节省工作时间，达到在最短的时间内完成工作要求的目的，仿真的任务是通过模拟规划路径，看是否能够达到预期效果。本文以IRB5400-12喷涂机器人为例进行仿真与规划路线。

1 机器人运动学模型

1.1 IRB5400-12机器人

IRB 5400-12机器人是一个ABB公司 IRB 5400喷涂机器人型号中的一支，拥有正常运行时间长、喷涂精度高、漆料耗用少、工作节拍短以及有效集成涂装设备等诸多优势。还包括工作范围大、负载能力强及运行可靠性高等其他优点。IRB5400-12规格参数见表1。

表1 机器人参数表

现实中使用机器人时要根据表中所给参数数据正确使用机器人，防止不正当使用造成机器人关节损伤等其他问题，破坏机器人工作的稳定性，影响其工作精度及质量。

1.2 建立仿真模型

在ABB机器人仿真软件RobotStudio里面建立机器人空工作站，首先打开机器人的三维工作区域显示，放置工件要放置在机器人所能达到的三维工作区域内，如图1所示，只有这样创建示教指令的时候才不会出现示教指令在机器人工作区域外的情况。

图1 机器人工作区域3D展示

放置好工件后，第一步在机器人系统选项中选择从布局创建系统，创建机器人仿真系统。第二步选择创建工件坐标，在用户坐标框架中选择三点建坐标系Wobj1，依次选择工件三个点。第三步在路径选项中选择空路径，生成一个空路径Path10。第四步点击手动线性命令，将机器人喷枪放置在合适的位置，设置工作命令Movej*v300 fine MyToolWobj:=Wobj1,点击示教指令，创建第一个示教目标点，将机器人喷枪通过手动线性命令移动到工件一角，点击示教指令，创建第二个示教目标点，修改工作命令MoveL*v300 fineMyToolWobj:=Wobj1,移动喷枪至下一角点，依次建立四个角点的示教指令，然后将喷枪拖离工件至合适的位置，点击示教指令，所有示教指令设置完毕。第五步在左侧工具栏找到Path10右键点击到达能力，若显示如图2所示，则说明所建示教指令均在机器人工作空间范围内，不存在死点等状况问题。第六步右键点击Path10，找到沿着路径运动指令，点击，仿真系统上电运行，则可以观察机器人的运动形态以及喷枪所走轨迹，如图3所示。第七步在同步选项中选择同步到RAPID指令，然后在控制器选项中选择示教器命令，打开，通过主函数添加指令到程序中完成RAPID语言到RAPID程序的转换。

通过建立ABB机器人运动学模型，我们可以通过仿真直观的观察到机器人的运动形态及运动轨迹，这可以为下面更好地机器人轨迹规划奠定基础。

图2 示教目标点到达能力

图3 仿真系统运行

2 轨迹规划

机器人轨迹规划是为了保证机器人更快的完成既定任务，轨迹规划就是要规划机器人关节运动的角度，使其每次运动的角度都达到最优效果。

在三维建模软件Creo Parametric中建立六自由度机器人模型，如图4所示。

图4 六自由度机器人模型

在其关节一位置放置一个伺服电动机，设定速度为10 deg/sec,进行动力学机构分析，设定运行一周时间为36 s，最后测量整个运动过程中关节一处的位置、速度和加速度曲线，得到结果如图5所示。

图5 测量曲线

在图5中可以看出随着时间的变化，机器人位置呈现线性增长，速度保持恒定为10 deg/sec，加速度一直为0。

其次进行第二次实验分析，在其关节一位置放置一个伺服电动机，设定加速度为1 deg/sec2,进行动力学机构分析，设定运行时间为10 s，最后测量整个运动过程中关节一处的位置、速度和加速度曲线，得到结果如图6所示。

图6 测量曲线

在图6中可以看出随着时间的变化，机器人位置增长越来越快，速度保持线性增长，5 s过后速度达到10 deg/sec，加速度一直为1 deg/sec2。

通过以上两个测量结果可以总结机器人运动过程中各关节位置、速度和加速度的变化规律，从而求出其运动过程中关节角度的变化，保证我们得到最精确的角度数值。以第二次实验分析为例，在1 s的时间内机器人关节一运动角度从0度变到了1度，通过公式

可以得到，由此可以推广到机器人从一个初始位置到终点位置角度的变化。可以将一段工作距离分隔成若干段，运用逆运动学将直角坐标转化成最优的关节角度，每运动一次确定一个最优路径点，最后将点通过仿真轨迹连接起来，得到最后规划的路径轨迹。

3 总结

本文基于ABB工业机器人平台以及Creo Parametric三维建模软件，对机器人系统的仿真进行了研究，随着自动化技术的快速发展，六轴工业机器人作为主要生产设备之一，必将得到大力推广。

传统的数控机床价格高昂，加工成本高，且噪音大，污染重，越来越不符合当代发展理念，故机器人替代数控机床进行机加工和雕刻趋势也越来越明显，但机器人作为一个新兴产业，许多技术方面仍有很大的发展空间[5]。轨迹规划方面就需要人们加大资金、精力等的投入进行研究，故本文对机器人关节位置、速度和加速度进行了仿真计算，但如果机器人能与视觉系统结合起来，通过视觉采集所需要加工的位置，则可以实现路径的全自动导航及精确控制[6]。

因此,工业机器人的轨迹优化设计仍然需要进一步研究,其现实意义是将会增加社会经济增长,释放更多劳动力，而且轨迹优化设计智能化程度的提高将会使人类进入一个新的全自动化时代,推进工业文明的进程。

[1] 赖文峰,赵兴龙.机器人在单元化生产中的应用设想[J].金属加工(冷加工),2013(20):24-26.

[2] 徐海黎,解祥荣,庄健,等.工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划[J].机械工程学报,2010,46(9):19-25.

[3] 高岩.工业机器人轨迹规划算法的研究与实现[D].沈阳：中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所),2014.

[4] 王宁.工业机器人切割路径的视觉识别及轨迹规划研究[D].太原：中北大学,2017.

[5] 张健.工业机器人轨迹规划与仿真实验研究[D].杭州：浙江工业大学,2014.

[6] 李春.基于机器视觉的焊接工件识别与焊接轨迹校正方法研究[D].广州：华南理工大学,2015.