安川機器人示教器功能分析和發(fā)展趨勢預測

      據(jù)調(diào)研，機器人示教器是工業(yè)機器人的主要組成部分，其設計與研究均由各廠家自行研制。

     安川機器人示教器系統(tǒng)的原理、分類及特點  

      針對現(xiàn)代工業(yè)快速多變以及日益增長的復雜性要求，繼柔性制造、計算機集成制造、精良生產(chǎn)及并行工程，在面向未來工業(yè)應用的生產(chǎn)單元中，機器人不僅被要求“不知疲倦”地進行簡單重復工作，而且能作為一個高度柔性、開放并具有友好的人機交互功能的可編程、可重構制造單元融合到制造業(yè)系統(tǒng)中。這一能力的實現(xiàn)要求現(xiàn)階段機器人技術整體的進步，示教技術就是其中重要的一項。機器人因為能被編程完成不同的任務而被視為柔性的自動化設備。通過某一設備或方式實現(xiàn)對機器人作業(yè)任務的編程，這個過程就是機器人的示教過程。

      現(xiàn)有的安川機器人示教器系統(tǒng)可以分為以下三類：

     （1）示教再現(xiàn)方式  示教再現(xiàn)（teachingplayback），也稱為直接示教,就是指我們通常所說的手把手示教, 由人直接搬動機器人的手臂對機器人進行示教,如示教盒示教或操作桿示教等。在這種示教中,為了示教方便以及獲取信息的快捷而準確,操作者可以選擇在不同坐標系下示教,例如,可以選擇在關節(jié)坐標系(JointCoordinates)、直角坐標系(RectangularCoordinates以及工具坐標系(ToolCoordinates)或用戶坐標系(UserCoordinates)下進行示教。 示教再現(xiàn)是機器人普遍采用的編程方式，典型的示教過程是依靠操作員觀察機器人及其夾持工具相對于作業(yè)對象的位姿，通過對示教盒的操作，反復調(diào)整示教點處機器人的作業(yè)位姿、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，然后將滿足作業(yè)要求的這些數(shù)據(jù)記錄下來，再轉入下一點的示教整個示教過程結束后，機器人實際運行時使用這些被記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過插補運算，就可以再現(xiàn)在示教點上記錄的機器人位姿。

      這個功能的用戶接口是示教器鍵盤，操作證通過通過操作示教器，向主控計算機發(fā)送控制命令，操縱主控計算機上的軟件，完成對機器人的控制；其次示教器將接收到的當前機器人運動和狀態(tài)等信息通過液晶屏完成顯示。示教器通過線纜與主控計算機相連。

      圖2.4.1機器人操作流程控制簡圖

      在這種示教方式中，示教盒是一個重要的編程設備，一般具備直線、圓弧、關節(jié)插補以及能夠分別在關節(jié)空間和笛卡爾空間實現(xiàn)對機器人的控制等功能。

      示教時，當用戶按下示教鍵盤上的按鍵時，示教器通過線纜向主控計算 機發(fā)出相應的指令代碼（S0）；此時，主控計算機上的主控模塊中負責串口通信的通信子模塊中的串口監(jiān)視線程接收指令代碼（S1）；然后由指令碼解釋模塊分析判斷該指令碼，并進一步向相關模塊發(fā)送與指令碼相應的消息（S2）;驅動有關模塊完成該指令碼要求的具體功能（S3）;同時，為了讓操作用戶時刻掌握機器人的運動位置和各種狀態(tài)信息，主控計算機的有關模塊同時將狀態(tài)信息（S4）從串口發(fā)送給示教器（S5），在液晶顯示屏上顯示，從而與用戶溝通，完成數(shù)據(jù)的交換功能。在早期的示教再現(xiàn)系統(tǒng)中，還有一種人工牽引示教[2]。一般是操作員直接牽引機器人沿作業(yè)路徑運動一遍，對于難以直接牽引的大、中型功率液壓機器人，這種方式并不合適。于是又有人工模擬牽引示教，在牽引的過程中，由計算機對機器人各關節(jié)運動數(shù)據(jù)采樣記錄，得到作業(yè)路徑數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)是各關節(jié)的數(shù)據(jù)，因此這種方法又被稱為關節(jié)坐標示教法。這種示教方法的優(yōu)點是控制簡單，缺點是勞動強度大，操作技巧性高，精度不易保證。

      如果示教失誤，修正路徑的唯一方法就是重新示教。 這些形式不同的機器人示教再現(xiàn)系統(tǒng)具有如下的一些共同特點：利用了機器人具有較高的重復定位精度優(yōu)點，降低了系統(tǒng)誤差對機器人運動絕對精度的影響，這也是目前機器人普遍采用這種示教方式的主要原因；要求操作員具有相當?shù)膶I(yè)知識和熟練的操作技能，并需要現(xiàn)場近距離示教操作，因 而具有一定的危險性，安全性較差；

      示教過程繁瑣、費時,需要根據(jù)作業(yè)任務反復調(diào)整機器人的動作軌跡姿態(tài)與位置，時 效性較差。

     （3）基于虛擬現(xiàn)實方式  隨著計算機學及相關學科的發(fā)展，特別是機器人遙操作、虛擬現(xiàn)實、傳感器信息處理等技術的進步為準確、安全、高效的機器人示教提供了新的思路，為用戶提供一種嶄新和諧的人機交互操作環(huán)境的虛擬現(xiàn)實技術（VirtualReality,VR）出現(xiàn)和應用尤其吸引了眾多機器人與自動化領域的學者的注意[9]。這里，虛擬現(xiàn)實作為高端的人機接口，允許用戶通過聲、像、力以及圖形等多種交互設備實時地與虛擬環(huán)境交互。根據(jù)用戶的指揮或動作提示，示教或監(jiān)控機器人進行復雜的作業(yè)[10]。利用虛擬現(xiàn)實技術進行機器人示教是機器人學中新興的研究方向。