莫名韶，韋雅曼，黃宇婧，胡寧峪

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣西 南寧 530008）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造業(yè)中自動(dòng)化程度不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。在運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的過(guò)程中，面對(duì)不同的工作需求，機(jī)器人的末端工具經(jīng)常需要到達(dá)一些特殊的狹窄的位置，機(jī)器人的工具在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)出這些特定位置時(shí)應(yīng)該采用直線運(yùn)動(dòng)的方式，以避免若使用其他運(yùn)行軌跡可能會(huì)對(duì)周邊物體產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。要實(shí)現(xiàn)工具的直線進(jìn)出，運(yùn)動(dòng)軌跡編程中至少需要手動(dòng)示教工具在該直線段路徑兩端的兩個(gè)位置與姿態(tài)，這些位置點(diǎn)與工具姿態(tài)的精確的設(shè)定是保證工業(yè)機(jī)器人能夠安全順利完成工作任務(wù)的前提。在現(xiàn)有的生產(chǎn)操作中，這些位姿的設(shè)置只能依靠操作人員的肉眼的細(xì)心觀察和嫻熟的手動(dòng)操作技能[2]，因此，研究一種能夠快速、準(zhǔn)確的輔助定位、調(diào)姿裝置，減少對(duì)工人操作技能的依賴，對(duì)減少手動(dòng)操作時(shí)間、提升工作效率具有重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。

1 工業(yè)機(jī)器人工具位姿示教輔助裝置分析

工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，主要以自動(dòng)模式運(yùn)行。在自動(dòng)模式中，機(jī)器人會(huì)按照預(yù)先編寫好的程序運(yùn)行，帶動(dòng)工具及工件到達(dá)工藝流程所需的各個(gè)位置，并完成輸入輸出信號(hào)的交互等指令功能。在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，末端工具運(yùn)動(dòng)過(guò)程所需要到達(dá)的各個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)如取放工具、工件等位置，需要在程序自動(dòng)運(yùn)行前通過(guò)手動(dòng)操控工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)及工具到達(dá)該位置，并對(duì)應(yīng)程序位置數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，這個(gè)過(guò)程稱之為機(jī)器人的示教。雖然有的機(jī)器人設(shè)備可通過(guò)專用離線編程軟件生成位置點(diǎn)數(shù)據(jù)，但因離線仿真軟件中所建模型的精度與實(shí)物誤差等原因，在實(shí)際工作中，程序運(yùn)行前仍需要進(jìn)行關(guān)鍵位置的手動(dòng)示教檢驗(yàn)、校準(zhǔn)和調(diào)整。因此，工業(yè)機(jī)器人雖是自動(dòng)化程度很高的裝備，但是手動(dòng)操縱機(jī)器人及工具以特定姿態(tài)到達(dá)指定位置仍是必不可少的基礎(chǔ)操作。

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中其工具所需到達(dá)的眾多位置點(diǎn)中有的關(guān)鍵位置是空間相對(duì)比較狹小、進(jìn)出困難易發(fā)生干涉碰撞的區(qū)域，如圖1 所示為工業(yè)機(jī)器人工具所需到達(dá)某狹窄空間位置。

圖1 工業(yè)機(jī)器人工具所需到達(dá)狹窄空間示意

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具進(jìn)出狹窄空間的常用方式：工具保持相同的姿態(tài)直線進(jìn)出,如圖2 所示。工具若想實(shí)現(xiàn)在該空間的直線進(jìn)出則至少需準(zhǔn)確設(shè)定兩個(gè)關(guān)鍵的位置：工具夾取工件的目標(biāo)位置（設(shè)定名稱為Pend）和該空間的外部過(guò)渡位置（設(shè)定名稱為Pmiddle），即該直線運(yùn)動(dòng)軌跡的兩個(gè)端點(diǎn)。工具到達(dá)兩個(gè)位置點(diǎn)和工具處于該位置點(diǎn)時(shí)姿態(tài)的準(zhǔn)確設(shè)置非常關(guān)鍵，需要操作者反復(fù)切換不同的角度使用肉眼觀察并依賴個(gè)人對(duì)空間位置和距離的主觀判斷做出手動(dòng)示教的調(diào)整操縱。為了減少示教時(shí)間、提升人工對(duì)工具位置的判斷效果，有必要設(shè)計(jì)和使用位姿示教輔助裝置。

圖2 工具直線進(jìn)出狹窄空間所需設(shè)定直線軌跡示意

2 工業(yè)機(jī)器人工具位姿示教輔助裝置硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人工具位姿示教直線、平行移動(dòng)的需求與特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的工具位姿示教輔助裝置硬件組成部分主要有固定架、激光器安裝架、激光器、電源、手動(dòng)開關(guān)、紅外接收模塊、紅外發(fā)射模塊（遠(yuǎn)程開關(guān)）等組成。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)節(jié)約空間、避免導(dǎo)線牽引帶來(lái)的不便，電源使用電池進(jìn)行供電；為了增強(qiáng)裝置的易用性、通用性，裝置設(shè)置了手動(dòng)開關(guān)和基于紅外通信模塊的遠(yuǎn)程開關(guān)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程模塊上的手動(dòng)按鍵或輸入端子連接PLC、工業(yè)機(jī)器人控制器等外部控制設(shè)備來(lái)手動(dòng)或者自動(dòng)遠(yuǎn)程地控制激光器的啟動(dòng)。本裝置硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

圖3 輔助裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

工業(yè)機(jī)器人的工具形狀結(jié)構(gòu)、大小功能差異較大。為了提高適應(yīng)性、便于安裝和使用，本裝置硬件結(jié)構(gòu)主要有2 種模式：（1）如圖4 所示；（2）如圖5 和圖6 所示。

圖4 是激光器集中布置在法蘭安裝環(huán)上的模式：安裝環(huán)用于將輔助裝置整體固定于工業(yè)機(jī)器人末端的法蘭上；激光器安裝在激光器安裝架中，可通過(guò)螺釘?shù)墓潭?，調(diào)整安裝環(huán)在機(jī)器人法蘭上的角度位置，多個(gè)激光器共用一套電源及紅外接收模塊。該方式適用于工具外形不大，不對(duì)激光器造成阻擋的情況，也可視實(shí)際情況將圓形法蘭安裝環(huán)設(shè)計(jì)為其他形狀，將裝置固定安裝于工具之上。

圖4 輔助裝置激光器集中安裝方式

另一種模式（圖5 和圖6），將多個(gè)激光器分散安裝于機(jī)器人工具不同位置的安裝方式：每一套激光器、工作指示燈、手動(dòng)開關(guān)、電源及紅外接收模塊集中安裝在一起，通過(guò)不同形式的固定架安裝于機(jī)器人的工具上，結(jié)合實(shí)際固定架可以采用不同形狀如L 形、U 形、O 形等，以及不同的固定方式，如磁吸、螺釘連接、膠水黏合、扎帶等方式。該方式安裝更為靈活，激光器的發(fā)射的光線可不限于與機(jī)器人第五軸同向。

圖5 輔助裝置激光器分散安裝方式

圖6 分散式輔助裝置安裝實(shí)物圖（單個(gè)）

3 工具位姿示教輔助裝置的應(yīng)用

低功率激光器是本裝置的主要部件，它主要由激光模組（二極管）制作成筆型發(fā)射器。常用的低功率激光發(fā)射器可發(fā)射紅光（650～660 nm）、綠光（532 nm）、藍(lán)光（445～450 nm）和藍(lán)紫光（405 nm）等，提供合適電壓可直線指向地投映一個(gè)光點(diǎn)或光線[3]。

本工業(yè)機(jī)器人位姿示教輔助裝置的應(yīng)用方法示意如圖7 所示。通過(guò)手動(dòng)開關(guān)或控制器遠(yuǎn)程將激光器打開，則可在工具操作對(duì)象工件表面或附近物體表面上獲得光點(diǎn)，可選擇明顯位置如邊線、物體尖點(diǎn)等位置落光或者對(duì)光點(diǎn)投射位置做非破壞性的可擦除式標(biāo)記，這些光點(diǎn)位置即為工具位姿的參考點(diǎn)。工具在不同位置、姿態(tài)處產(chǎn)生的多個(gè)光點(diǎn)位置一致，可認(rèn)為它們的位置與姿態(tài)是處于相對(duì)平行的關(guān)系，在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中使用直線移動(dòng)指令則能夠保證工具及姿態(tài)的平行移動(dòng)。具體操作方式是：先將工具示教至在狹窄位置的內(nèi)部，獲取工件的Pend 位置處，微調(diào)工具姿態(tài)或者改變輔助裝置的激光器位置，獲得參考光點(diǎn)，標(biāo)記光點(diǎn)，然后移動(dòng)工具到狹窄位置的外部，利用光點(diǎn)，示教出Pmiddle 位置處工具位姿。機(jī)器人操作者依據(jù)兩者產(chǎn)生光點(diǎn)位置的重合度判斷工具運(yùn)動(dòng)軌跡的線性度和精度。同時(shí)也可以借助光束判斷和降低工具直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與旁物發(fā)送干涉碰撞的可能性。

圖7 示教輔助裝置使用示意

4 測(cè)試

測(cè)試主要檢驗(yàn)輔助裝置在人工示教機(jī)器人工具位置和姿態(tài)的操作過(guò)程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)計(jì)的輔助作用，減少示教時(shí)間、避免碰撞。測(cè)試選擇了40 位具有一定的工業(yè)機(jī)器人基本操作技能、水平不一的高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)一年級(jí)學(xué)生作為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)了3 個(gè)不同的需要示教工業(yè)機(jī)器人工具直線進(jìn)出狹窄空間的場(chǎng)景。先讓學(xué)生們?cè)跊](méi)有輔助裝置的條件下，完成工具位姿的示教，記錄下3 次沒(méi)有碰撞、成功完成取放工件任務(wù)的操作總時(shí)間，再給工具安裝示教輔助裝置，開啟激光器使用輔助示教方式，同樣記錄3 次成功操作的總時(shí)間，對(duì)每個(gè)學(xué)生在這兩種條件下平均耗時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。

測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。分析測(cè)試結(jié)果顯示，同一操作者成功完成同樣的示教任務(wù)，在使用了示教輔助裝置的情況下，平均操作耗時(shí)均得到了一定的降低，從47.9% ～ 14.6%不等，考慮到操作者個(gè)人不同的操作習(xí)慣和水平，雖然重復(fù)實(shí)踐同一工作任務(wù)會(huì)有更深的理解和經(jīng)驗(yàn)的積累，但是結(jié)合實(shí)驗(yàn)者對(duì)輔助裝置的普遍主觀好評(píng)和測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以認(rèn)為該輔助裝置在提升示教操作的工作效率、降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度方面是能夠起到積極作用的。

圖8 示教輔助裝置輔助效果測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

完成了對(duì)一種以低功率激光器為主要元件的用于輔助人工對(duì)工業(yè)機(jī)器人，包括工作原理、硬件、應(yīng)用方法、試驗(yàn)測(cè)試等的研究。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、使用簡(jiǎn)便，通過(guò)激光產(chǎn)生參考光點(diǎn)，輔助操作者示教工具得到平行位姿，為工具直線運(yùn)動(dòng)提供良好基礎(chǔ)，既可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，提升示教效果，也可以應(yīng)用于高校、職校學(xué)生實(shí)訓(xùn)及企業(yè)員工實(shí)操培訓(xùn)中，減少碰撞保障人員和設(shè)備安全[4]。

另外，可在機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)比對(duì)參考光點(diǎn)等圖形圖像、獲取機(jī)器人內(nèi)部位姿數(shù)據(jù)、自動(dòng)反饋結(jié)果等方面開展進(jìn)一步的研究和實(shí)踐，進(jìn)一步提升人工輔助示教的精度和易用性，提升裝置的自動(dòng)化和智能化水平，并結(jié)合成本控制需求與經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值，不斷完善設(shè)計(jì)方案。