七轴打磨机器人离线编程系统设计与实现

• 作 者: 邹学涌
• 机 构: 广东工业大学
• 出 处: 广东工业大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 七轴机器人 离线编程 轨迹规划 STL文件浏览器

工业机器人的应用将人们从繁琐重复的劳动中解放出来,大大提高了生产效率。在某些复杂工业应用场合,传统的六轴串联机器人已被运动更为灵活柔顺的七轴机器人取代。同时,冗余的自由度也给七轴机器人的控制和轨迹规划带来了一定的困难,并且机器人生产厂家所提供的离线编程软件功能有限且不对用户开放。为了能够方便地使用七轴机器人进行作业,本文以典型七轴机器人为研究对象,设计并实现了一个面向打磨任务的离线编程系统,主要工作如下:首先,进行机器人离线编程系统的需求分析,得到了所设计系统需具备独立性、简便易用性、界面友好性和可拓展性的结论。进一步将系统划分为三维建模、离线示教、运动控制、三维仿真、文件管理、系统输出及软件界面等模块。结合需求及开发成本的考虑,选择了以VS2013配合开源图形库OpenGL与开源界面库Qt的开发平台。其次,本文进行了典型七轴串联机器人的运动学建模,完成了其连杆坐标系建立和运动学正解工作。对于较为困难的逆运动学求解问题,分别采用了利用关节虚化的代数解法和利用BP神经网络的数值解法。其中,还应用了遗传算法对BP神经网络的初始权值和阈值进行了优化以减少测试误差和降低网络迭代次数。根据运动学正解结合蒙特卡洛方法求解了机器人的工作空间。然后,讨论了机器人关节空间内基于多项式插值和三次样条函数插值的轨迹规划方法。推导了以中间路径点的速度和加速度为约束条件,利用三次多项式、高次多项式和三次样条函数构造关节角度函数这一方法的数学表达式。在进行仿真验证后,选择了轨迹更为平滑的三次样条轨迹规划方法。最后,编程实现了离线编程系统软件的核心功能。利用Open GL完成了待打磨工件和机器人本体的可视化,因为工件的表面拓扑信息对打磨路径的生成有重大作用,本文还完成了一个用于提取工件表面拓扑信息的STL文件浏览器。利用提取到的工件表面拓扑信息生成打磨轨迹的中间路径点,采取逐帧播放的形式实现了机器人运动的离线演示。同时还设计了离线编程系统软件的界面,简述了诸如系统通讯、示教再现和文件输出等功能的实现过程。