一种机器人离线编程系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种机器人离线编程系统及方法，在机器人三维虚拟环境中导入机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型，对提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化，提取路径点，生成机器人运动轨迹，之后进行机器人运动仿真和碰撞检测，根据机器人运动仿真和碰撞检测结果，按照已经给出的定义修改路径点形成在新的机器人运动轨迹和姿态并操作系统上显示，得到可行性结果并生成机器人可执行文件，与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制；本发明公开的机器人离线编程系统及方法，其能够有效简化操作、提高机器人编程工作效率。
【专利说明】
一种机器人离线编程系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及机器人领域，更具体的涉及一种机器人离线编程系统及方法。【背景技术】
[0002]目前，工业机器人的运动输入和控制方式主要有三种:[0003 ] —是示教再现，包括“示教”和“再现”两个阶段。在示教阶段，通过某种方式对机器人的期望运动预演一遍，将机器人的一些关键路径点的位置和姿态存储和记忆下来;示教完毕后，在再现阶段，机器人对记忆的路径点进行插补，依次运动到各路径点。而示教又有三种方式:1)最常见的是采用示教盒，即操作员操纵示教盒发送指令，驱动机器人到一系列预期的位置。这种示教方式常用于机器人焊接和搬运等路径较简单的作业。2)第二种示教方式是拖拉式，即操作员直接握持机器人末端或者通过腕部力传感器拖动机器人到期望的位置。喷涂机器人一般可以直接拖拉进行示教，但大多数工业机器人由于只有运动控制而没有力控制，因此不能直接拖拉。但如果在末端安装六维力传感器，基于力传感信息进行运动控制也可能实现间接拖动，进行示教。3)第三种示教方式是间接拖拉式，借助运动映射或其他辅助设备(包括与受控机器人具有相同构型、自由度和尺寸的示教装备)，对机器人进行拖拽或引导性示教。操作员操纵该辅助性的示教装备按期望轨迹运动，并记忆其路径点， 最后将示教运动映射为机器人的运动。相比于基于示教盒的点动示教，拖拉式示教使用更方便，更容易达到复杂的位姿，适应性更强，可用于喷涂等作业。总之，示教再现的控制方式需要操作员亲临现场，在现场进行，占用资源，效率较低，工作强度大，精度不高，而且有人身危险。借助于外围设备时还增加成本。
[0004]第二种运动输入和控制方式是类似于数控编程的机器人编程，即采用机器人的语言，将机器人的作业按照脚本的形式进行编制。这种方式不直观，需要反复修正，因而效率不尚。
[0005]第三种运动输入和控制方式是离线编程，建立机器人仿真系统，对机器人运动路径进行离线规划。这种方式脱机进行，无需到现场，因而效率较高，适应性和灵活性强。
[0006]中国发明专利“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，并由虚拟工具示教点间的插补点生成运动轨迹，该发明的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，因此需要花费大量的时间来获取示教点数据，另外示教得到的姿态只是肉眼辨识，一般不是最佳的姿态数据，面对复杂的曲面路径规划，如激光焊接、喷涂、打磨等工业应用，此方法正面临被淘汰。
[0007]中国发明专利申请“基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法”(公开号 CN103085072A)，公布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，其方法是在三维建模软件环境下，获取空间线条数据和三维模型的空间矩阵数据，建立机器人运动轨迹和几何数学模型，实现虚拟机器人运动控制系统的离线编程。该方法的实现存在以下不足:1)需要输入空间曲线和机器人控制的数据，缺乏借助三维建模软件本身的功能实现轨迹自主绘制、模型自主建模及虚拟仿真控制系统虚拟搭建的功能，对所规划路径有一定局限性，不能快速验证路径的可行性；2)在曲线路径点离散中，通过指定数量点的方式获取，难以保证曲线离散的精度;3)路径点的姿态缺乏融合周围实体的信息;4)缺少位姿可视化功能和路径点自主修正功能;5)缺乏机器人型号的多样性，没有实时通讯连接功能，实现数据的实时传输。
【发明内容】
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够自动规划生成运动路径并进行验证的机器人离线编程系统及其机器人离线编程方法。
[0009]本发明提供的机器人离线编程系统，包括:
[0010]用于设定机器人运动学约束条件的约束条件设定模块；
[0011]用于获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型和机器人运动路径图元及其位姿信息的获取模块；
[0012]以及用于构建机器人三维虚拟环境的带有操作系统的终端;并且在机器人三维虚拟环境中导入机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型，对提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化，提取路径点，生成机器人运动轨迹，之后进行机器人运动仿真和碰撞检测，根据机器人运动仿真和碰撞检测结果，按照已经给出的定义修改路径点形成在新的机器人运动轨迹和姿态并操作系统上显示，得到可行性结果并生成机器人可执行文件，与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制。
[0013]优选的，所述获取模块包括三维实体建模软件的API接口，所述机器人三维虚拟环境采用三维实体建模软件的API接口函数，实现机器人作业系统的三维建模。[〇〇14]优选的，所述三维实体建模软件中包括基本图元模型，所述基本图元模型包括直线、圆弧、贝塞尔曲线和样条曲线四种基本图元及其关联实体；
[0015]从获取模块中，三维实体建模软件的API接口函数提取机器人运动路径图元及其位姿信息，通过生成基本图元模型和自动选择生成运动轨迹，经过坐标转换，将上述的基本图元模型和运动轨迹转化到机器人三维虚拟环境中再进行后续的曲线离散化，并提取路径点。
[0016]优选的，所述位姿信息通过提取的路径点上建立的笛卡尔坐标系，以三维坐标轴的形式直观的在终端上显示为具有位置和姿态的带有路径的离散点。
[0017]优选的，在进行机器人运动仿真和碰撞检测时，将所述的离散点和机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型在机器人三维虚拟环境中进行碰撞检测得到机器人运动轨迹和姿态，若碰撞，则自动修改路径点形成新的机器人运动轨迹和姿态，若不碰撞，则保留原机器人运动轨迹和姿态作为新的机器人运动轨迹和姿态。
[0018]优选的，根据所述新的机器人运动轨迹和姿态求解机器人正逆运动，并转换成机器人的目标控制程序和数据，生成机器人可执行文件。
[0019]另外，本发明还提供相应的一种机器人离线编程方法，步骤如下:
[0020]S1、设定机器人运动学约束条件；获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型;获取机器人运动路径图元及其位姿信息；
[0021]S2、构建机器人三维虚拟环境；
[0022]S3、将步骤SI中设定的机器人运动学约束条件、获取的机器人工作对象和机器人及其工装三维模型、获取的机器人运动路径图元及其位姿信息载入机器人三维虚拟环境；
[0023]S4、将提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化处理，得到路径点，并在机器人三维虚拟环境中生成机器人运动轨迹；
[0024]S5、根据机器人运动轨迹进行机器人运动仿真和碰撞检测，系统自动判断是否产生干涉；
[0025]若是，则进入步骤S6;
[0026]若否，则进入步骤S7;
[0027]S6、按照事先给出的定义修改路径点重新生成机器人运动轨迹，然后返回步骤S5;
[0028]S7、显示并判断机器人运动轨迹的可行性，若不可行则进行人工操作修改，若可行则生成可行性结果并生成机器人可执行文件；
[0029]S8、与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制。
[0030]本发明提供的机器人离线编程系统及其相应的机器人离线编程方法，通过在终端的操作系统中构建机器人三维虚拟环境并且在机器人三维虚拟环境中导入机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型，对提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化，提取路径点，生成机器人运动轨迹，按照已经给出的定义修改路径点形成最佳姿态并在操作系统上显示，之后进行机器人运动仿真和碰撞检测，得到可行性结果并生成机器人可执行文件，与机器人通讯，将运动代码导入机器人控制器，实现机器人运动控制。通过本发明的方案能够实现机器人复杂运动曲线路径的自动编程和仿真检测，并导出机器人运动代码实现全程自动化的机器人运动控制，具有操作简单、工作效率高的优点。
【附图说明】
[0031]图1为本发明系统的工作流程示意图；
[0032]图2为本发明系统的结构组成框图；
[0033]图3为本发明系统的机器人三维虚拟环境示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例及附图对本发明方案作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0035]本发明提供了一种机器人离线编程系统，包括:
[0036]用于设定机器人运动学约束条件的约束条件设定模块；
[0037]用于获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型和机器人运动路径图元及其位姿信息的获取模块；
[0038]以及用于构建机器人三维虚拟环境的带有操作系统的终端；
[0039]系统的具体工作流程是在机器人三维虚拟环境中导入机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型，对提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化，提取路径点，生成机器人运动轨迹，之后进行机器人运动仿真和碰撞检测，根据机器人运动仿真和碰撞检测结果，按照已经给出的定义修改路径点形成在新的机器人运动轨迹和姿态并操作系统上显示，得到可行性结果并生成机器人可执行文件，与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制。
[0040]较优的，所述获取模块包括三维实体建模软件的API接口，所述机器人三维虚拟环境采用三维实体建模软件的API接口函数，实现机器人作业系统的三维建模。具体来说，就是利用三维实体建模软件的API接口函数，实现机器人作业系统的三维建模，包括机器人本体、作业对象、周边环境的设计与布置及其几何模型图形处理，作业路径的定义和修改，物体轮廓提取，实现虚拟仿真环境与实际工作环境的匹配。这样可以直接使用现有的成熟软件直接套用在系统中，大大提高了系统的兼容性和稳定性，便于用户维护和替换。
[0041]其中，较优的，所述三维实体建模软件中包括基本图元模型，所述基本图元模型包括直线、圆弧、贝塞尔曲线和样条曲线四种基本图元及其关联实体;从获取模块中，三维实体建模软件的API接口函数提取机器人运动路径图元及其位姿信息，通过生成基本图元模型和自动选择生成运动轨迹，经过坐标转换，将上述的基本图元模型和运动轨迹转化到机器人三维虚拟环境中再进行后续的曲线离散化，并提取路径点。该具体实施例中，使用相关图元建模，基本上能够满足绝大多数复杂轨迹的生成要求，另外，由于后续是采用离散化曲线的方式进行模拟仿真和碰撞测试，所以对整个系统的配置要求大大降低，同时，由于运算的简化，系统的处理效率大大提高，并且可以根据系统配置的高低选取离散点的选取密度，使其可以适应各种模拟环境。
[0042]较优的，所述位姿信息通过提取的路径点上建立的笛卡尔坐标系，以三维坐标轴的形式直观的在终端上显示为具有位置和姿态的带有路径的离散点。这样就实现了运动路径的可视化，并便于后续操作。
[0043]其中，较优的，在进行机器人运动仿真和碰撞检测时，将所述的离散点和机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模型在机器人三维虚拟环境中进行碰撞检测得到机器人运动轨迹和姿态，若碰撞，则自动修改路径点形成新的机器人运动轨迹和姿态，若不碰撞，则保留原机器人运动轨迹和姿态作为新的机器人运动轨迹和姿态。
[0044]其中，较优的，根据所述新的机器人运动轨迹和姿态求解机器人正逆运动，并转换成机器人的目标控制程序和数据，生成机器人可执行文件。
[0045]本发明还提供对应的一种机器人离线编程方法，步骤如下:
[0046]S1、设定机器人运动学约束条件;获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型;获取机器人运动路径图元及其位姿信息；
[0047]S2、构建机器人三维虚拟环境；
[0048]S3、将步骤SI中设定的机器人运动学约束条件、获取的机器人工作对象和机器人及其工装三维模型、获取的机器人运动路径图元及其位姿信息载入机器人三维虚拟环境；
[0049]S4、将提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化处理，得到路径点，并在机器人三维虚拟环境中生成机器人运动轨迹；
[0050]S5、根据机器人运动轨迹进行机器人运动仿真和碰撞检测，系统自动判断是否产生干涉；
[0051 ]若是，则进入步骤S6;
[0052]若否，则进入步骤S7;
[0053]S6、按照事先给出的定义修改路径点重新生成机器人运动轨迹，然后返回步骤S5;
[0054]S7、显示并判断机器人运动轨迹的可行性，若不可行则进行人工操作修改，若可行则生成可行性结果并生成机器人可执行文件；
[0055]S8、与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制。
[0056]另外，该方法的【具体实施方式】可以基于三维实体造型软件SolidWorks实现，即三维实体建模软件可以采用SolidWorks，具体运行流程如下:
[0057]1.在三维建模软件SolidWorks中建立完整的机器人和工件模型(可从外部导入)，定义机器人与工件的相对位置关系及机器人工作空间约束；
[0058]2.利用图元提取功能在工件模型上选择焊缝轨迹，完成作业路径的定义；
[0059]3.提取运动路径图元和关联实体的信息，显示在显示区中；
[0060]4.利用SolidWorks的API函数获取路径点的位姿信息，借助数据转换模块，将路径点的位姿信息转化到机器人工作空间中；
[0061]5.使用机器人仿真模块，将离散的路径点信息导入仿真控制系统中，对任务规划和路径规划的结果进行三维图形运动仿真，模拟整个作业的完成情况；
[0062]6.使用位姿调整模块修改所需的各个路径点的位置和姿态，以符合机器人作业姿态要求，使机器人运动性能最优化及能耗最少；
[0063]7.利用显示功能将各路径点的位姿信息表达出来，显示直观，易于修改；
[0064]8.利用后置处理模块，将正确的作业程序转换成目标机器人的控制程序和数据，生成特定机器人可执行文件，输入机器人控制器，实现对机器人的精确控制。
[0065]以上对本发明所提供的一种机器人离线编程系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种机器人离线编程系统，其特征在于，包括:用于设定机器人运动学约束条件的约束条件设定模块；用于获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型和机器人运动路径图元及其位 姿信息的获取模块；以及用于构建机器人三维虚拟环境的带有操作系统的终端;并且在机器人三维虚拟环 境中导入机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人及其工装的三维模 型，对提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化，提取路径点，生成机器 人运动轨迹，之后进行机器人运动仿真和碰撞检测，根据机器人运动仿真和碰撞检测结果， 按照已经给出的定义修改路径点形成在新的机器人运动轨迹和姿态并操作系统上显示，得 到可行性结果并生成机器人可执行文件，与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人 控制器，实现机器人运动控制。2.如权利要求1所述的机器人离线编程系统，其特征在于，所述获取模块包括三维实体 建模软件的API接口，所述机器人三维虚拟环境采用三维实体建模软件的API接口函数，实 现机器人作业系统的三维建模。3.如权利要求2所述的机器人离线编程系统，其特征在于，所述三维实体建模软件中包括基本图元模型，所述基本图元模型包括直线、圆弧、贝塞 尔曲线和样条曲线四种基本图元及其关联实体；从获取模块中，三维实体建模软件的API接口函数提取机器人运动路径图元及其位姿 信息，通过生成基本图元模型和自动选择生成运动轨迹，经过坐标转换，将上述的基本图元 模型和运动轨迹转化到机器人三维虚拟环境中再进行后续的曲线离散化，并提取路径点。4.如权利要求1所述的机器人离线编程系统，其特征在于，所述位姿信息通过提取的路 径点上建立的笛卡尔坐标系，以三维坐标轴的形式直观的在终端上显示为具有位置和姿态 的带有路径的离散点。5.如权利要求4所述的机器人离线编程系统，其特征在于，在进行机器人运动仿真和碰 撞检测时，将所述的离散点和机器人运动学约束条件、机器人工作对象的三维模型、机器人 及其工装的三维模型在机器人三维虚拟环境中进行碰撞检测得到机器人运动轨迹和姿态， 若碰撞，则自动修改路径点形成新的机器人运动轨迹和姿态，若不碰撞，则保留原机器人运 动轨迹和姿态作为新的机器人运动轨迹和姿态。6.如权利要求5所述的机器人离线编程系统，其特征在于，根据所述新的机器人运动轨 迹和姿态求解机器人正逆运动，并转换成机器人的目标控制程序和数据，生成机器人可执 行文件。7.—种机器人离线编程方法，其特征在于，步骤如下:S1、设定机器人运动学约束条件;获取机器人工作对象和机器人及其工装三维模型;获 取机器人运动路径图元及其位姿信息；S2、构建机器人三维虚拟环境；S3、将步骤S1中设定的机器人运动学约束条件、获取的机器人工作对象和机器人及其 工装三维模型、获取的机器人运动路径图元及其位姿信息载入机器人三维虚拟环境；S4、将提取到的机器人运动路径图元及其位姿信息进行曲线离散化处理，得到路径点， 并在机器人三维虚拟环境中生成机器人运动轨迹；S5、根据机器人运动轨迹进行机器人运动仿真和碰撞检测，系统自动判断是否产生干 涉；若是，则进入步骤S6;若否，则进入步骤S7;S6、按照事先给出的定义修改路径点重新生成机器人运动轨迹，然后返回步骤S5;S7、显示并判断机器人运动轨迹的可行性，若不可行则进行人工操作修改，若可行则生 成可行性结果并生成机器人可执行文件；S8、与机器人通讯，将机器人可执行文件导入机器人控制器，实现机器人运动控制。
【文档编号】G06F17/50GK105945942SQ201610211196
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】管贻生, 吴鸿敏, 邓华健, 毕志强, 张宏
【申请人】广东工业大学, 佛山博文机器人自动化科技有限公司