跨平台工业机器人离线编程系统研究与开发

摘要

工业机器人的编程方式主要有示教再现编程和离线编程，其可编程能力决定了其功能的灵活性和智能性。目前国内广泛使用的机器人示教再现编程方式因为其编程效率低下，难以满足实际生产需求;而国外普遍流行的机器人离线编程系统均基于PC，不能跟机器人控制系统结合形成闭环，另外轨迹规划算法耗时长。针对以上存在的问题，本文初次尝试开发了一套能满足实际生产需要的工业机器人跨平台离线编程系统，为以后把离线编程整合到机器人控制系统奠定了基础。本文主要工作如下:
　　针对市场上众多离线编程软件对硬件平台的高依赖性，本文提出开发一套能满足嵌入式移动端的跨平台离线编程系统。对众多开发平台进行了大量的对比分析后，选定Unity3D软件作为本系统的开发平台。Unity3D具备众多优势，如完备的引擎功能、高效的工作流程、逼真的画面效果以及跨平台发布等，为本文开发跨平台工业机器人离线编程系统奠定了平台基础。
　　针对目前工业上广泛使用的一类六轴串联工业机器人，使用D-H参数法对其建立了数学模型，并推导了该类型机器人的正运动学、逆运动学方程。另外，针对运动学逆解存在多解问题，引入了基于最小转动量的评价函数，最后编程实现并进行了仿真验证，为离线编程系统的轨迹规划奠定了理论基础。
　　本文提出了一种机器人空间圆弧插补算法，利用把空间圆弧转化为平面圆弧进行处理，再通过逆转化来分配各个轴向的插补量。另外，本离线编程系统还针对教育领域加入了TCP标定功能，推导了用三点法、五点法求出TCP的位置与姿态的算法，并且跟实体机器人的TCP标定算法进行了实验对比验证。接着还实现了固定TCP模式与外部TCP模式下的运动轨迹规划算法。
　　本文讨论了当前变位机与机器人七轴联动轨迹规划算法的原理及其计算量大、耗资源等不足。针对此算法的不足，本文提出了一种快速搜索算法，把变位机作为主动臂，工业机器人作为从动臂，基于三次多项式拟合姿态曲线，得出路径点对应的每个关节的角度。本算法具有响应速度快、计算精确等优势，并且通过实验验证适用于轨迹形状不是特别复杂的开闭环曲线。
　　针对跨平台离线编程系统的编程实现，本文先进行系统架构的分析与搭建，再结合自主设计的人机交互设计进行了系统开发，并使用该系统在装有Android系统的可移动终端进行了运动仿真与轨迹规划。最后，通过绘图、打磨和焊接应用进行实验验证，结果表明本文所开发的跨平台离线编程系统能有效的进行工业机器人离线编程，并且具有一定的实用意义，可以满足生产现场对跨平台的需要。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外工业机器人离线编程发展现状及趋势

1．2．1 国外工业机器人离线编程发展现状及趋势

1．2．2 国内工业机器人离线编程发展现状及趋势

1．3 当前离线编程系统研究的方向、现状和尚存在的主要问题

1．4 本论文要解决的主要关键问题

1．5 课题主要研究内容

第二章 六自由度串联机器人运动控制模型、算法

2．1 机器人结构参数建模

2．2 串联机器人正运动学

2．3 6R机器人逆运动学

2．4 本章小结

第三章 串联机器人轨迹规划与优化

3．1 空间圆弧插补算法

3．2 工具坐标系对准方法

3．2．1 TCP位置标定

3．2．2 TCP姿态标定

3．2．3 算法验证

3．3 机器人外部TCP模式下轨迹规划

3．4 7轴机器人联动轨迹规划

3．4．1 变位机运动学

3．4．2 当前常用7轴联动算法

3．4．3 快速搜索算法

3．4．4 算法验证

3．5 本章小结

第四章 基于Unity3D跨平台离线编程系统的实现

4．1 开发跨平台离线编程系统的必要性

4．2 离线编程系统架构设计

4．3 离线编程系统的人机交互设计

4．4 本章小结

第五章 离线编程系统测试

5．1 离线编程应用流程

5．2 离线编程当前存在的问题

5．3 绘图应用测试

5．4 打磨应用测试

5．5 焊接应用测试

5．6 本章小结

总结与展望

论文总结

创新点

研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

声明

致谢