工业机器人运动规划与性能测试系统及其实现方法

专利名称：工业机器人运动规划与性能测试系统及其实现方法
技术领域：
本发明是一种工业机器人运动规划与性能测试系统及其实现方法，特别是一种喷
涂机器人运动规划与性能测试系统及其实现方法，属于工业机器人运动规划与性能测试系 统及其实现方法的创新技术。
背景技术：
近年来，喷涂机器人由于喷涂周期短，精度高，效益好，可在恶劣的环境下长时间 工作等特点，在越来越多的喷涂场合得到应用。但到目前为止，还没有一个综合的喷涂机器 人运动规划与性能测试系统出现，传统的运动规划与性能测试系统一般采用示教编程，不 但繁琐，往往还需要先有样品才能示教。现有的工业机器人运动规划与性能测试系统一般 功能单一，不具备综合化的性能评估系统，尤其是在喷涂机器人应用领域，更是缺少专门的 系统平台。因此，开发一种基于计算机图形学，使得喷涂效果最优的喷涂机器人离线编程系 统已迫在眉睫。 随着计算机图形学的发展，建立实际物体及周围环境的模型变得非常方便。喷涂 作业的对象一般是自由面，利用计算机图形学对这种表面的造型有多种方法Bezier法， Coon/Ferguson法，B样条法，NUB (非均匀B样条)法，NURB (非均匀有理B样条)法及它 们之间的任意组合。这些方法各有自己的优点，Bezier法是以逼近为基础，利用控制多边 形或控制多面形来生成曲线或曲面，使得曲线和曲面的设计更容易。Coons(孔斯)曲面采 用分段曲线拼合来构造复杂曲线，采用可以是任意类型参数曲线的四条边界来构造曲面， 并且法林提出确定双三次混合孔斯曲面片边界跨界切矢量的方法。B样条法因其局部传播 性以及形状可控性突出，故使用广泛。获得实际物体模型的方法有多种，除了通过计算机图 形学直接造型外，还可以通过接口读取其他CAD系统的数据，或者通过扫描实物来获得模 型数据。 轨迹规划无论在理论研究，还是在工程应用方面，都越来越成熟。以喷涂对象的几 何模型为基础，建立喷涂过程中漆膜厚度生长模型和评价喷涂效果的目标泛函，在满足机 器人运动学和动力学约束的前提下，求取目标泛函的极值，规划出使喷涂效果最佳的喷枪 路径，方向和速度。现有的插值方法有多种，如线性插值，拉格朗日插值，分段插值，三阶B 样条插值等，且都有成熟的算法，这为关节变量进行插值提供了方便。 在大系统中，由于要调用和生成大量的数据，如何对这些数据进行有效的管理和 储存，成为了一个突出的问题。数据库的产生，为解决这一问题提供了一种很好的方法，通 过对系统建立专用的数据库，不但方便读取和存储数据，提高了系统的运行效率，而且方便 系统数据的管理和移植，增强系统的通用性。现有的数据库系统多而成熟，其中常用的有 IBM的DB2， Oracle, Informix, Sybase, SQL Server禾口 Access等。 日本发那株式会社申请的中国发明专利(申请号200510088687.X)中提出了一 种加工程序生成装置，主要组成有离线编程装置，视觉传感器，机器人控制装置和通信装置 等。在离线编程装置中是制定工件形状的顶点，棱线端点作为示教点，生成加工路径，从而生成加工程序，并通过视觉传感器获得的实际工件的位置姿态对程序进行修正，本质上 该方法并没有脱离示教编程。上海交通大学申请的工业机器人离线编程系统(申请号 200710043744. 1)主要有文本编辑与代码转换模块，图形化校验模块，通信与远程控制模 块。所实现的功能主要是由G代码数控程序到M0T0MAN机器人用的INFORMII代码工作程 序的转换，生成MOTAMAN机器人工作文件，并以三维图形进行仿真与校验。这种方法功能单 一，通用性不强，只能应用于特定型号的机器人，且缺少综合化的性能评估与分析系统。

发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种准确度高，生产效率高的工业机器人 运动规划与性能测试系统。 本发明的另一 目的在于提供一种方便实用的工业机器人运动规划与性能测试系 统的实现方法。 本发明的技术方案是本发明的工业机器人运动规划与性能测试系统，工业机器 人运动规划与性能测试系统，其特征在于包括有用于实现模型数据和信息的存储与管理的 数据库模块、在运行过程中将所需各种参数的输入和对其它模块的控制的人机交互模块、 自动生成使喷涂效果最佳的喷枪轨迹的喷枪轨迹规划模块、图形化显示喷枪沿规划路径喷 涂时工件表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件表面上漆膜的平均厚度及其偏差数据的 分析与显示模块、用于实现机器人工作指令的生成的机器人作业指令生成模块、实现内部 与外部之间的信息传输的通信与接口模块，用户通过人机交互模块向通信与接口模块发出 导入机器人或喷涂任务数据的控制指令后，通信与接口模块根据人机交互模块的指令类型 将外部的机器人模型或喷涂任务数据存入数据库模块中的对应子数据库中；根据人机交互 模块传递的轨迹规划方法、插值方法等控制信息和相对位置、喷枪开口角等参数，再根据数 据库模块传递的机器人模型和喷涂任务数据，完成轨迹规划；当人机交互模块向分析与显 示模块发出开始喷涂的控制指令时，分析与显示模块会将喷枪轨迹规划模块中得到的关节 变量调入，同时从数据库模块中读入机器人模型和喷涂任务数据，从人机交互模块中获得 相应的喷涂参数，进行喷涂过程的显示；在获得满意的喷涂效果后，人机交互模块将向数 据库模块发出存储关节变量的控制指令，将最佳喷涂效果对应的关节变量存入数据库模块 中；人机交互模块在人机交互模块向机器人作业指令生成模块发出生成机器人作业指令的 命令后，机器人作业指令生成模块调取数据库模块中的关节变量，完成作业指令的生成，如 果加入了新的机器人模型，通过人机交互模块输入的转换代码将自动加入到机器人作业指 令生成模块中；当人机交互模块向通信与接口模块发出下载代码指令时，机器人作业指令 生成模块生成的机器人作业指令将通过通信与接口模块和通讯电缆传递到机器人控制器 中。 上述数据库模块包括喷涂任务数据库模块，喷涂机器人模型模块，喷涂轨迹数据 库模块，关节轨迹数据库模块，关节力矩数据库模块，喷涂任务数据库模块用于存放经过造 型后物体的CAD数据，或是通过接口读取的其他CAD系统的数据，也可以是通过扫描实物来 获得的模型数据，喷涂机器人模型模块用于存储用户通过接口导入的机器人模型数据，喷 涂轨迹数据库模块存储的是在满足约束条件的前提下喷涂效果最佳的喷涂轨迹，关节轨迹 数据库模块存放通过运动学求解得到的机器人各个关节不同时刻的转动角度，角速度和角加速度或者是特征点经过不同的插值处理后所生成的关节轨迹，关节速度和角速度，关节 力矩数据库模块实现对机器人各个关节不同时刻关节力矩的存储。 上述数据库模块包括数据库的管理菜单，管理菜单实现对数据库中不同对象的有 效管理，包括添加，删除，修改，存储功能。 上述人机交互模块包括喷涂参数设置模块，控制模块和程序编辑模块。通过喷涂 参数设置模块，用户可以设置机器人参数，喷涂参数，轨迹规划和插值的方法，喷枪的开口 角、环境变量等参数，在控制模块中，用户可以通过菜单，控制是否运行作业指令生成模块， 是否将生成的指令代码文件通过通信与接口模块传送到机器人控制器中，及是否导入外界 喷涂任务和机器人模型数据，还可以通过点击菜单选项查看关节变量的曲线，程序编辑模 块是专为增加机器人作业语言编程规则而设计的开放接口 ，用户通过通信与接口模块导入 新的机器人型号，可以通过程序编辑界面，遵循该机器人型号对应语言的语法规则，添加代 码转化模块。 上述喷枪轨迹规划模块包括直角坐标空间轨迹规划和关节坐标空间轨迹规划。直 角坐标空间轨迹规划实现喷涂过程中油漆厚度生长模型和评价喷涂效果的目标泛函的建 立，通过极大极小值算法求取目标泛函的极值，自动生成能使喷涂效果最佳的喷枪轨迹，另 外，还可以根据喷枪设置模块中设定的喷枪走向，对喷枪轨迹进行参数优化，得到优化的喷 枪轨迹，最后根据运动学求逆解的方法求出机器人关节轨迹，实现从直角坐标空间到关节 坐标空间的转化。由于可能出现最优喷枪轨迹上的有些点不在机器人工作空间内的情况， 因此必须经过反复的调整和仿真才能得到满意的喷枪轨迹，关节坐标空间轨迹规划是在直 角坐标空间轨迹规划的基础上完成的，首先通过直角坐标空间轨迹规划获得优化的喷枪轨 迹，接着，取出满足约束条件的轨迹特征点，求出特征点对应的关节变量，再采用不同的插 值方法对关节变量进行插值运算，通过仿真和分析，用户可以选出一种比较适用该喷涂任 务的插值方法。如果对喷涂效果不满意，可以多取一些满足约束的特征点，如果一味的增加 特征点仍不能获得满意的喷涂效果，则需要修改一些特征点，直到得到满意的喷涂效果为 止。 上述插值模块包括三次多项式插值，过路径点的三次多项式插值，五次多项式进 行插值，用抛物线过渡的线性插值，过路径点的用抛物线过渡的线性插值，三阶B样条插值。 上述分析与显示模块包括机器人模型的显示，喷涂任务的显示，喷涂过程中机器
人运动情况和喷涂效果的显示，关节变量的曲线的显示，喷涂时间的显示。该模块根据以上
模块所提供的数据，实时仿真喷涂过程中被喷涂对象和机器人的状态，显示各种变量的变
化规律，并以列表的形式给出喷涂过程所用能量，漆膜的平均厚度，偏差与均方差，以方便
用户检查机器人各关节的运动与转矩是否满足其约束条件，是否发生机械手碰撞工件的情
况，离线观察喷枪末端的可达性，比较哪种轨迹规划的方法用时最短，消耗能量最少，哪种
插值方法最合理。为修改喷枪参数、路径，进而获得最佳的喷涂效果提供依据。 上述机器人作业指令生成模块包括关节数据的读取模块，关节脉冲的生成模块，
语言转化模块的选取和生成模块，关节数据的读取模块完成从关节数据库中读取关节数据
的任务；关节脉冲的生成模块实现由关节数据向关节脉冲值的转化；语言转化模块的选取
和生成模块完成与机器人型号对应语言转换模块的自动选取，并实现由关节脉冲向机器人
8语言的转化，生成机器人运动所必需的作业指令，为得到通用的平台，该模块采用了开放式 的编程方法，除了平台所提供的三种常用型号机器人的语言转化模块外，用户可以通过模 块化的编程方式，在机器人语言转化程序编辑区添加与自己导入的机器人模型相对应的程 序转化模块。最后，该模块根据用户所设置的机器人类型，自动选择与之对应的语言转化模 块，通过调用存储在关节轨迹数据库中的关节轨迹，完成关节轨迹到关节脉冲的转化，根据 语法要求，生成作业指令文件，并将其保存在专用的工程文件夹中。 上述通信与接口模块包括模型数据的输入和作业指令的输出，信息通过RS232串 口进行数据的传输，编有专门的端口驱动程序，通过控制菜单实现对端口的控制。通过接口 模块，用户可以把其他CAD软件造型的机器人模型，喷涂任务数据和扫描得到的数据导入 平台中，通过处理后，将数据分别存储到喷涂机器人模型数据库和喷涂任务数据库两个子 模块中，以便在轨迹规划和显示时调用。当机器人作业指令文件生成后，遵循该型号机器人 的通信协议，通过通信与接口模块将其传送到机器人控制器中，实现机器人喷涂作业的远 程控制。 本发明工业机器人运动规划与性能测试系统的实现方法，其特征在于包括如下过 程 1)数据库模块用于实现模型数据和喷涂信息的存储与管理，系统在获得喷涂任务 数据和机器人的造型数据后，自动将它们保存到数据库中；通过喷枪轨迹规划，获得一条能 使喷涂效果最佳且满足约束的喷枪轨迹，把轨迹数据存入数据库；通过机器人逆运动学和 动力学求解，得到与喷枪轨迹对应的机器人关节轨迹和关节力矩，将其存入数据库；同时， 数据库模块不但能够存储数据，还能够完成基本的管理功能； 2)人机交互模块实现系统在运行过程中所需各种参数的输入和对其它模块的控 制，用户还可以在该模块中添加程序转换功能。在机器人仿真与分析和轨迹规划的过程中， 需要用户通过人机界面设置相应的参数；代码生成和通信与传输模块的执行也需要用户通 过人机界面发出指令；当用户通过通信与接口模块导入新型号的机器人时，同时会通过该 模块的文档编辑窗口添加对应的语言生成程序，该模块还可以将添加的程序自动打包，作 为机器人作业指令生成模块的组成部分。 3)喷枪轨迹规划模块实现使喷涂效果最佳的喷枪轨迹的自动生成，首先，在对喷 枪轨迹完成建模后，调取被喷涂对象的CAD造型数据，建立喷涂过程中油漆厚度生长模型。 以漆膜厚度的方差作为评价喷涂效果好坏的标准，建立目标泛函，设计算法求取目标泛函 的极小值，进而得到一条喷枪运动的空间轨迹；接着，根据用户对喷涂参数的设置，对该轨 迹进行适当的优化，运用机器人运动学原理求出优化喷枪轨迹对应的关节运动轨迹，经分 析与仿真后，查看该轨迹是否满足喷涂系统的所有约束条件，如果有的点不满足约束，调整 相应的轨迹点，重新仿真和分析，直到得到满意的结果，系统在以上轨迹规划的基础上又提 供了另一种规划的方法，即取优化喷涂轨迹上满足约束的特征点，求取特征点对应的关节 变量，再对其插值，通过仿真和分析比较喷涂效果是否满足要求，如果不满足喷涂要求，则 增加特征点的数目，重新计算，仿真，如仍不能得到满意的效果，则需要适当修改特征点，直 到喷涂效果满足要求； 4)分析与显示模块要完成是根据上述各模块所传来的工件CAD数据，机器人模 型数据，喷枪轨迹和机器人关节轨迹数据，喷涂任务的位置及喷枪的各种参数，图形化显示喷枪沿规划路径喷涂时工件表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件表面上漆膜的平均厚 度及其偏差数据，在此过程中用户还能观察关节角，关节速度，关节角速度及关节力矩的变 化曲线，检查其是否满足约束条件，是否发生机器人碰撞工件的情况，以便反复修改喷枪参 数、路径，最终得到满意的喷涂效果； 5)机器人作业指令生成模块用于实现机器人工作指令的生成，首先从数据库中读 取机器人关节轨迹数据，生成关节脉冲，在根据人机交互模块选取的机器人类型，自动找到 与该型号机器人相匹配代码生成模块，生成机器人工作文件并保存，如果是用户新添加的 机器人型号，该模块还可以自动调取新添加的与该机器人型号对应的程序转化模块，完成 代码文件的自动生成； 6)通信与接口模块实现了平台内部与外部之间的信息传输，通过该模块读取外部 CAD造型软件数据库中的喷涂对象和机器人模型的CAD数据，并将其导入到自身的数据库 中，还能把扫描获得的任务数据和机器人数据传入到数据库模块中，为上述模块提供参数 依据；该模块还可以将作业指令生成模块生成的喷涂作业文件导入到机器人控制器中，实 现机器人的远程控制。 本发明的系统相对于传统的示教编程系统，编程速度快，准确度高，且编程是离线 进行，不占用机器人的工作时间，生产效率高。传统的示教编程一般靠示教工人手动操作机 器人，获得喷涂轨迹，而本发明的系统是在喷涂任务模型的基础上，由计算机得出的喷涂轨 迹，因而工作效率和准确度都会大大提高。而且，在离线编程时，机器人仍可以继续工作，两 者互不影响，为机器人节省了宝贵的工作时间。相对于以往的喷涂机器人离线编程系统，本 发明的系统的突出特点是功能完善。它可以对多种型号的机器人进行离线编程，生成不同 语言的作业文件，对同一种型号的机器人又提供了不同的轨迹规划方法和插值方法，并可 以通过综合化的性能评估系统对各种插值方法所产生的喷涂效果，能量消耗，喷涂时间进 行比较。因此既可作为科学研究，又可用于实际喷涂作业系统的控制。本发明系统的另一 个特点是通用性强，用户不但可以对平台所提供的机器人类型进行离线编程，还可以根据 自己的需要，不断添加新的机器人类型和与之对应的语言转化模块。因此，可用于各种型号 机器人的离线编程。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的工业机器人运动规划与 性能测试系统及其实现方法。


图l为本发明的原理框图。
图2为本发明实现方法的原理图。
具体实施方式

实施例 本发明的结构示意图如图l所示，下面结合附图对本发明的实例进行说明，本实 施例以本发明的内容为作为技术方案，实现MOTOMAN机器人的离线编程，是本发明的一个 应用，下面给出了本实施例的具体操作过程。 如图1所示，本实施例所涉及到的组成部分有M0T0MAN机器人(图上未画出)及 其控制器，本发明喷涂机器人离线编程的综合平台，通信电缆等。
本实例中喷涂机器人离线编程的综合平台包括六个主要的功能模块数据库模 块，人机交互模块，喷枪轨迹规划模块，分析与显示模块，作业文件生成模块，通信与接口模 块。数据库模块实现MOTOMAN机器人喷枪轨迹和关节变量及喷涂任务的存储。人机交互模 块实现参数的输入和对其它模块的控制。喷枪轨迹规划模块用于在满足所有喷涂约束的前 提下，规划出一条使喷涂效果最佳的喷枪轨迹，并求出该轨迹对应的关节变量。分析与显示 模块实现M0T0MAN机器人喷涂过程的仿真与分析。作业文件生成模块实现M0T0MAN机器人 工作文件生成功能。通信与接口模块用于喷涂任务数据的导入和作业文件的上传下载。
本实例中所述的数据库模块，在接口从外面的CAD造型数据库中读取喷涂任务数 据时，可以实现对读取数据的接受，并将其存入到喷涂任务数据库中。在轨迹规划中，我们 会得到一条满足约束条件且喷涂效果最佳的喷枪轨迹和该轨迹对应的关节变量，数据库也 实现对这些数据的存储和管理。 所述人机交互模块实现各种喷涂参数设置。在本实例中，我们只需选择机器人的 类型，喷涂任务，轨迹规划和插值的方法，设置喷涂任务的在直角坐标空间中的位置，其它 设置选项采用平台的默认值。 所述喷枪轨迹规划模块实现喷涂效果最佳的喷枪轨迹的自动生成。根据人机界面 的设置，本实例采用关节坐标空间的轨迹规划，首先在喷涂任务模型的基础上，建立喷涂过 程中油漆厚度生长模型和评价喷涂效果的目标泛函，通过极大极小值算法求得喷涂效果最 好时的喷枪轨迹，选取轨迹的特征点，判断特征点是否在机器人的工作空间内，将不在工作 空间内的点重新选取，以保证所有的特征点都满足该条件。通过运动学求逆解和动力学原 理，求得特征点对应的关节角度，关节角速度，关节角加速度及关节力矩，通过人机界面选 取的插值方法，调取相应的插值算法对关节角度进行插值，并求出所有插值点的关节角速 度，关节角加速度及关节力矩。 所述分析与显示模块实现MOTOMAN机器人按照轨迹规划求得的关节变量进行喷 涂过程的仿真与分析。通过仿真，我们可以观察喷涂过程中喷涂效果和机器人的状态，喷涂 所用时间，喷涂过程所用能量，漆膜的平均厚度，偏差与均方差。点击人机界面上对应的控 制菜单，还可以观察关节转矩曲线，关节角度曲线，关节角速度曲线，关节角加速度曲线。如 果对喷涂效果不满意或者有的参数不满足约束条件，则必须增加或修改特征点，重新进行 运动学与动力学的计算和仿真，直到得到满意的结果为止。最终将喷枪数据和关节数据存 入数据库中。 所述作业文件生成模块主要实现INFROMII代码文件的生成。由于MOTOMAN机器 人工作程序为INFROMII代码，我们首先从关节轨迹数据库中调取关节数据，通过关节脉冲 的生成模块实现由关节数据向关节脉冲值的转化，再调用MOTOMAN机器人程序转化模块将 关节脉冲转化成INFROMII代码文件并存于工程默认的文件夹中。 所述通信与接口模块实现喷涂任务模型的导入和作业文件的传输。在导入喷涂任 务数据时，我们只需点击控制菜单的相应选项，选中要读入的文件，平台就会自动调用接口 驱动程序，读取外部的喷涂任务模型数据并存于喷涂任务数据库中。生成机器人作业文件 后，点击控制菜单的相应选项，弹出选择对话框，选中要传输的作业文件，平台会自动调用 通信驱动程序，按照MOTOMAN机器人的通信协议，将作业文件下载在机器人控制器中。
本发明应用在该实例中，可按照以下步骤进行
步骤1 :获取喷涂对象的数据并存入喷涂任务数据库。该平台提供了多种获取喷 涂对象数据的方法。如果喷涂任务数据库中存有被喷涂对象的信息，则不需要此步骤，否 则，用户可以控制人机交互界面上的"获取喷涂任务"菜单，选中要读入的任务，通过通信 与接口模块就会从其它文档或构型软件CAD数据库中读取，并将其存入到喷涂任务数据库 中。 步骤2 :获取机器人的三维模型。平台中通过OpenGL程序给出了三种常用的机器 人模型M0T0MAN机器人模型，PUMA560机器人模型，斯坦福机械人模型。并且通过人机交 互界面，用户可以设置这三种机器人的连杆长度，连杆质量，连杆转动惯量，各个关节所能 提供的最大转动力矩，如果用户不对他们进行设置，系统会自动按默认值处理。如果用户通 过构型软件构造了自己的机器人模型，则可以通过控制人机交互界面上的"获取机器人模 型"菜单，从构型软件CAD数据库中读取，并将其存入到机器人模型数据库中。本实例选用 MOTOMAN机器人模型，连杆和关节参数为默认值，因此不需要从平台外导入机器人模型。
步骤3 :人机界面设置。在人机界面上，用户可以选择喷涂任务，机器人类型，轨迹 规划和插值的方法，设置机器人变量，环境变量，喷枪参数，性能指标要求，喷涂任务的位置 等参数，这些参数将在以下步骤中被调用。如果用户没有设置这些参数，系统就会自动采用 默认值进行仿真与分析。本实例中，只对机器人的类型，喷涂任务，轨迹规划和插值的方法， 喷涂任务的在直角坐标空间中的位置进行设置，其它参数采用默认值。
步骤4 :添加语言转换程序。如果步骤2中，导入了新的机器人模型，则在人机界 面上的程序添加区，用户可以添加对应的语言生成模块，平台根据编程规则，将语言生成模 块打包，添加到工作指令生成模块中，以便在生成代码时调用。在本实例中，该步骤没有涉 及到。 步骤5 :机器人及工作环境的三维构型。通过人机界面对喷涂任务和机器人类型 的设置，显示模块自动从数据库中调取相应的任务模块和机器人模块数据，根据人机界面 设置的喷涂任务的位置和其它参数，完成喷枪的建模，以合适的大小在人机界面上显示，其 中机器人的位置为默认值。喷涂对象位置的设置必须满足对象上所有被喷涂的点必须在机 器人的可达工作空间内。否则，需要进行位置较准。 步骤6 :直角坐标空间的轨迹规划。依据机器人及工作环境的三维构型和喷枪的 数学模型，建立漆膜厚度的生长模型，再以漆膜厚度的方差作为变量建立目标范函。轨迹规 划就是在保证理想涂层厚度和允许最大偏差都为定值的约束条件下，寻找一条保证涂层厚 度方差最小，喷涂时间最短的喷枪轨迹，这是一个带约束的多目标优化问题。为得到喷涂效 果最佳的喷枪轨迹，平台设计了专门的极大极小值算法求解，再根据用户设定的喷枪走向， 对喷枪轨迹进行参数优化，得到一条优化的喷枪轨迹。如果用户选择了第一种轨迹规划的 方法，则只需直接把上面求得的最优喷枪轨迹进行机器人逆运动学和动力学求解，如果有 的轨迹点不在机器人的工作范围内，则需要对这些点进行适当的调整后，再求出对应的关 节变量，直到分析与仿真得到满意的效果为止。平台还设计了专门的算法对轨迹点接近或 通过机器人奇异点的情况进行处理。在本实例中，没有采用这种方法。 步骤7 :关节坐标空间的轨迹规划。如果用户选择第二种轨迹规划方法，同样需要 求出最优喷枪轨迹，然后取机器人最优喷枪轨迹上的特征点，判断其是否在机器人工作空 间内，如果不在，需要做适当的调整，以保证所取特征点都在机器人工作空间内，再通过机
12器人逆运动学求出特征点对应的关节变量，根据用户选择的插值方法，调用插值模块对关 节变量进行插值运算。通过仿真，如果指标不满足喷涂要求，增加或修改特征点，直到得到 满意的喷涂效果。本实例就是采用这种轨迹规划方法。 步骤8 :喷涂过程的动态仿真。将步骤6或7(本实例中为步骤7)求得的关节变 量传递给步骤5生成的虚拟现实中，通过喷涂控制菜单控制仿真的过程。仿真完成，观察喷 涂过程中是否发生机器手碰撞工件，喷涂时间的长短，漆膜厚度的方差值。点击喷涂控制菜 单的对应选项，还可以有选择的观察关节轨迹，关节速度，关节加速度，关节转矩的曲线，分 析它们是否满足约束条件。如果不满足要求，重复步骤6或7(本实例中为步骤7)，直到得 到满意的喷涂效果为止。 步骤9 :关节轨迹的存储。如果喷涂过程的各项指标都满足要求，点击喷涂控制菜 单里的"保存关节运动轨迹"，系统自动将机器人的关节运动轨迹存入关节轨迹数据库。
步骤10 :机器人代码生成。如果需要将保存在机器人关节轨迹数据库中的关节轨 迹转化成机器人代码。首先点击控制菜单里的"机器人代码生成"项，系统会自动从数据库 中调取关节数据，通过脉冲转换程序，将这些数据转换成关节脉冲，脉冲幅值的正负表示关 节转动的方向，脉冲的密度表示转动速度的快慢，脉冲的个数表示转动角度的大小。接着， 调用与机器人型号对应的作业指令转化模块，将关节脉冲转化成机器人作业文件，保存在 工程默认的目录下。 步骤11 :机器人作业指令的传输。在人机交互界面上的喷涂控制菜单里点击"机 器人作业文件传输"按钮，系统会跳出一个选项框，让用户选择要传输的作业文件，选择并 点击"确定"后，系统会通过自动调用接口驱动程序驱动接口 ，将生成的机器人作业指令文 件传输到机器人的控制器中。
1权利要求
一种工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于包括有用于实现模型数据和信息的存储与管理的数据库模块(1)、在运行过程中将所需各种参数的输入和对其它模块的控制的人机交互模块(2)、自动生成使喷涂效果最佳的喷枪轨迹的喷枪轨迹规划模块(3)、图形化显示喷枪沿规划路径喷涂时工件表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件表面上漆膜的平均厚度及其偏差数据的分析与显示模块(4)、用于实现机器人工作指令的生成的机器人作业指令生成模块(5)、实现内部与外部之间的信息传输的通信与接口模块(6)，用户通过人机交互模块(2)向通信与接口模块(6)发出导入机器人或喷涂任务数据的控制指令后，通信与接口模块(6)根据人机交互模块(2)的指令类型将外部的机器人模型或喷涂任务数据存入数据库模块(1)中的对应子数据库中；喷枪轨迹规划模块(3)根据人机交互模块(2)传递的轨迹规划方法、插值方法等控制信息和相对位置、喷枪开口角等参数，再根据数据库模块(1)传递的机器人模型和喷涂任务数据，完成轨迹规划；当人机交互模块(2)向分析与显示模块(4)发出开始喷涂的控制指令时，分析与显示模块(4)会将喷枪轨迹规划模块(3)中得到的关节变量调入，同时从数据库模块(1)中读入机器人模型和喷涂任务数据，从人机交互模块(2)中获得相应的喷涂参数，进行喷涂过程的显示；在获得满意的喷涂效果后，人机交互模块(2)将向数据库模块(1)发出存储关节变量的控制指令，将最佳喷涂效果对应的关节变量存入数据库模块(1)中；在人机交互模块(2)向机器人作业指令生成模块(5)发出生成机器人作业指令的命令后，机器人作业指令生成模块(5)调取数据库模块(1)中的关节变量，完成作业指令的生成，如果加入了新的机器人模型，通过人机交互模块(2)输入的转换代码将自动加入到机器人作业指令生成模块(5)中；当人机交互模块(2)向通信与接口模块(6)发出下载代码指令时，机器人作业指令生成模块(5)生成的机器人作业指令将通过通信与接口模块(6)和通讯电缆传递到机器人控制器中。
2. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述数据 库模块(1)包括喷涂任务数据库模块，喷涂机器人模型模块，喷涂轨迹数据库模块，关节轨 迹数据库模块，关节力矩数据库模块，喷涂任务数据库模块用于存放经过造型后物体的CAD 数据，或是通过接口读取的其他CAD系统的数据，也可以是通过扫描实物来获得的模型数 据，喷涂机器人模型模块用于存储用户通过接口导入的机器人模型数据，喷涂轨迹数据库 模块存储的是在满足约束条件的前提下喷涂效果最佳的喷涂轨迹，关节轨迹数据库模块存 放通过运动学求解得到的机器人各个关节不同时刻的转动角度，角速度和角加速度或者是 特征点经过不同的插值处理后所生成的关节轨迹，关节速度和角速度，关节力矩数据库模 块实现对机器人各个关节不同时刻关节力矩的存储。
3. 根据权利要求2所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述数据 库模块(1)包括数据库的管理菜单，管理菜单实现对数据库中不同对象的有效管理，包括 添加，删除，修改，存储功能。
4. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述人机 交互模块(2)包括喷涂参数设置模块，控制模块和程序编辑模块。通过喷涂参数设置模块， 用户可以设置机器人参数，喷涂参数，轨迹规划和插值的方法，喷枪的开口角、环境变量等 参数，在控制模块中，用户可以通过菜单，控制是否运行作业指令生成模块，是否将生成的 指令代码文件通过通信与接口模块传送到机器人控制器中，及是否导入外界喷涂任务和机 器人模型数据，还可以通过点击菜单选项查看关节变量的曲线，程序编辑模块是专为增加机器人作业语言编程规则而设计的开放接口 ，用户通过通信与接口模块导入新的机器人型 号，可以通过程序编辑界面，遵循该机器人型号对应语言的语法规则，添加代码转化模块。
5. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述喷枪 轨迹规划模块(3)包括直角坐标空间轨迹规划和关节坐标空间轨迹规划。直角坐标空间 轨迹规划实现喷涂过程中油漆厚度生长模型和评价喷涂效果的目标泛函的建立，通过极大 极小值算法求取目标泛函的极值，自动生成能使喷涂效果最佳的喷枪轨迹，另外，还可以根 据喷枪设置模块中设定的喷枪走向，对喷枪轨迹进行参数优化，得到优化的喷枪轨迹，最后 根据运动学求逆解的方法求出机器人关节轨迹，实现从直角坐标空间到关节坐标空间的转 化。由于可能出现最优喷枪轨迹上的有些点不在机器人工作空间内的情况，因此必须经过 反复的调整和仿真才能得到满意的喷枪轨迹，关节坐标空间轨迹规划是在直角坐标空间轨 迹规划的基础上完成的，首先通过直角坐标空间轨迹规划获得优化的喷枪轨迹，接着，取出 满足约束条件的轨迹特征点，求出特征点对应的关节变量，再采用不同的插值方法对关节 变量进行插值运算，通过仿真和分析，用户可以选出一种比较适用该喷涂任务的插值方法。 如果对喷涂效果不满意，可以多取一些满足约束的特征点，如果一味的增加特征点仍不能 获得满意的喷涂效果，则需要修改一些特征点，直到得到满意的喷涂效果为止。
6. 根据权利要求5所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述插值 模块包括三次多项式插值，过路径点的三次多项式插值，五次多项式进行插值，用抛物线过 渡的线性插值，过路径点的用抛物线过渡的线性插值，三阶B样条插值。
7. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述分析 与显示模块(4)包括机器人模型的显示，喷涂任务的显示，喷涂过程中机器人运动情况和 喷涂效果的显示，关节变量的曲线的显示，喷涂时间的显示。该模块根据以上模块所提供 的数据，实时仿真喷涂过程中被喷涂对象和机器人的状态，显示各种变量的变化规律，并以 列表的形式给出喷涂过程所用能量，漆膜的平均厚度，偏差与均方差，以方便用户检查机器 人各关节的运动与转矩是否满足其约束条件，是否发生机械手碰撞工件的情况，离线观察 喷枪末端的可达性，比较哪种轨迹规划的方法用时最短，消耗能量最少，哪种插值方法最合 理。为修改喷枪参数、路径，进而获得最佳的喷涂效果提供依据。
8. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述机器 人作业指令生成模块(5)包括关节数据的读取模块，关节脉冲的生成模块，语言转化模块 的选取和生成模块，关节数据的读取模块完成从关节数据库中读取关节数据的任务；关节 脉冲的生成模块实现由关节数据向关节脉冲值的转化；语言转化模块的选取和生成模块完 成与机器人型号对应语言转换模块的自动选取，并实现由关节脉冲向机器人语言的转化， 生成机器人运动所必需的作业指令，为得到通用的平台，该模块采用了开放式的编程方法， 除了平台所提供的三种常用型号机器人的语言转化模块外，用户可以通过模块化的编程方 式，在机器人语言转化程序编辑区添加与自己导入的机器人模型相对应的程序转化模块。 最后，该模块根据用户所设置的机器人类型，自动选择与之对应的语言转化模块，通过调用 存储在关节轨迹数据库中的关节轨迹，完成关节轨迹到关节脉冲的转化，根据语法要求，生 成作业指令文件，并将其保存在专用的工程文件夹中。
9. 根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统，其特征在于上述通信 与接口模块(6)包括模型数据的输入和作业指令的输出，信息通过RS232串口进行数据的传输，编有专门的端口驱动程序，通过控制菜单实现对端口的控制。通过接口模块，用户可 以把其他CAD软件造型的机器人模型，喷涂任务数据和扫描得到的数据导入平台中，通过 处理后，将数据分别存储到喷涂机器人模型数据库和喷涂任务数据库两个子模块中，以便 在轨迹规划和显示时调用。当机器人作业指令文件生成后，遵循该型号机器人的通信协议， 通过通信与接口模块将其传送到机器人控制器中，实现机器人喷涂作业的远程控制。
10.根据权利要求1所述的工业机器人运动规划与性能测试系统的实现方法，其特征 在于包括如下过程1) 数据库模块(1)用于实现模型数据和喷涂信息的存储与管理，系统在获得喷涂任务 数据和机器人的造型数据后，自动将它们保存到数据库中；通过喷枪轨迹规划，获得一条能 使喷涂效果最佳且满足约束的喷枪轨迹，把轨迹数据存入数据库；通过机器人逆运动学和 动力学求解，得到与喷枪轨迹对应的机器人关节轨迹和关节力矩，将其存入数据库；同时， 数据库模块不但能够存储数据，还能够完成基本的管理功能；2) 人机交互模块(2)实现系统在运行过程中所需各种参数的输入和对其它模块的控 制，用户还可以在该模块中添加程序转换功能。在机器人仿真与分析和轨迹规划的过程中， 需要用户通过人机界面设置相应的参数；代码生成和通信与传输模块的执行也需要用户通 过人机界面发出指令；当用户通过通信与接口模块导入新型号的机器人时，同时会通过该 模块的文档编辑窗口添加对应的语言生成程序，该模块还可以将添加的程序自动打包，作 为机器人作业指令生成模块的组成部分。3) 喷枪轨迹规划模块(3)实现使喷涂效果最佳的喷枪轨迹的自动生成，首先，在对喷 枪轨迹完成建模后，调取被喷涂对象的CAD造型数据，建立喷涂过程中油漆厚度生长模型。 以漆膜厚度的方差作为评价喷涂效果好坏的标准，建立目标泛函，设计算法求取目标泛函 的极小值，进而得到一条喷枪运动的空间轨迹；接着，根据用户对喷涂参数的设置，对该轨 迹进行适当的优化，运用机器人运动学原理求出优化喷枪轨迹对应的关节运动轨迹，经分 析与仿真后，查看该轨迹是否满足喷涂系统的所有约束条件，如果有的点不满足约束，调整 相应的轨迹点，重新仿真和分析，直到得到满意的结果，系统在以上轨迹规划的基础上又提 供了另一种规划的方法，即取优化喷涂轨迹上满足约束的特征点，求取特征点对应的关节 变量，再对其插值，通过仿真和分析比较喷涂效果是否满足要求，如果不满足喷涂要求，则 增加特征点的数目，重新计算，仿真，如仍不能得到满意的效果，则需要适当修改特征点，直 到喷涂效果满足要求；4) 分析与显示模块(4)要完成是根据上述各模块所传来的工件CAD数据，机器人模 型数据，喷枪轨迹和机器人关节轨迹数据，喷涂任务的位置及喷枪的各种参数，图形化显示 喷枪沿规划路径喷涂时工件表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件表面上漆膜的平均厚 度及其偏差数据，在此过程中用户还能观察关节角，关节速度，关节角速度及关节力矩的变 化曲线，检查其是否满足约束条件，是否发生机器人碰撞工件的情况，以便反复修改喷枪参 数、路径，最终得到满意的喷涂效果；5) 机器人作业指令生成模块(5)用于实现机器人工作指令的生成，首先从数据库中读 取机器人关节轨迹数据，生成关节脉冲，在根据人机交互模块选取的机器人类型，自动找到 与该型号机器人相匹配代码生成模块，生成机器人工作文件并保存，如果是用户新添加的 机器人型号，该模块还可以自动调取新添加的与该机器人型号对应的程序转化模块，完成代码文件的自动生成；6)通信与接口模块(6)实现了平台内部与外部之间的信息传输，通过该模块读取外部 CAD造型软件数据库中的喷涂对象和机器人模型的CAD数据，并将其导入到自身的数据库 中，还能把扫描获得的任务数据和机器人数据传入到数据库模块中，为上述模块提供参数 依据；该模块还可以将作业指令生成模块生成的喷涂作业文件导入到机器人控制器中，实 现机器人的远程控制。
全文摘要
本发明是一种工业机器人运动规划与性能测试系统。包括数据库模块、人机交互模块、喷枪轨迹规划模块、分析与显示模块、机器人作业指令生成模块、通信与接口模块，所述数据库模块实现喷涂机器人喷枪轨迹和关节变量及喷涂任务的存储；人机交互模块实现参数的输入和对其它模块的控制。喷枪轨迹规划模块用于在满足所有约束的前提下，规划出一条使喷涂效果最佳的喷枪轨迹，并求出该轨迹对应的关节变量；分析与显示模块实现喷涂机器人喷涂过程的仿真与分析；机器人作业指令生成模块实现喷涂机器人工作文件生成功能；通信与接口模块用于喷涂任务数据的导入和作业文件的上传下载。该发明编程速度快，准确度高，功能完善，通用性强，既可作为各种型号机器人的科学研究，又可用于实际喷涂作业系统的控制。
文档编号B25J13/00GK101791801SQ201010019450
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者刘治, 周英, 梁少芳, 陈圣国 申请人:广东工业大学