當(dāng)前機器人廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運、噴漆及打磨等領(lǐng)域，任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，而用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量、效率的追求越來越高。在這種形式下，機器人的編程方式、編程效率和質(zhì)量顯得越來越重要。降低編程的難度和工作量，提高編程效率，實現(xiàn)編程的自適應(yīng)性，從而提高生產(chǎn)效率，是機器人編程技術(shù)發(fā)展的終極追求。
編程技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況
對工業(yè)機器人來說，主要有三類編程方法：在線編程、離線編程以及自主編程三類。在當(dāng)前機器人的應(yīng)用中，手工示教仍然主宰著整個機器人焊接領(lǐng)域，離線編程適合于結(jié)構(gòu)化焊接環(huán)境，但對于軌跡復(fù)雜的三維焊縫，手工示教不但費時而且也難以滿足焊接精度要求，因此在視覺導(dǎo)引下由計算機控制機器人自主示教取代手工示教已成為發(fā)展趨勢。
示教編程技術(shù)
?。?）在線示教編程
通常由操作人員通過示教盒控制機械手工具末端到達(dá)指定的姿態(tài)和位置，記錄機器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機器人運動指令，完成機器人在正常加工中的軌跡規(guī)劃、位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、記錄。
示教盒示教具有在線示教的優(yōu)勢，操作簡便直觀。如圖1所示，示教盒主要有編程式和遙感式兩種。例如，采用機器人對汽車車身進(jìn)行點焊，首先由操作人員控制機器人達(dá)到各個焊點對各個點焊軌跡通過人工示教，在焊接過程中通過示教再現(xiàn)的方式，再現(xiàn)示教的焊接軌跡，從而實現(xiàn)車身各個位置各個焊點的焊接。車身機器人點焊過程如圖2 所示。但在焊接中車身的位置很難保證每次都完全一樣，故在實際焊接中，通常還需要增加激光傳感器等對焊接路徑進(jìn)行糾偏和校正。
（2）激光傳感輔助示教
在空間探索、水下施工、核電站修復(fù)等極限環(huán)境下，操作者不能身臨現(xiàn)場，焊接任務(wù)的完成必須借助于遙控方式。環(huán)境的光照條件差，視覺信息不能完全地反饋現(xiàn)場的情況，采用立體視覺作為視覺反饋手段，示教周期長。激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實時調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了用于遙控焊接的激光視覺傳感輔助遙控示教技術(shù)，克服了基于立體視覺顯示遙控示教的缺點。通過激光視覺傳感提取焊縫特征點作為示教點，提高了識別精度，實現(xiàn)了對平面曲線焊縫和復(fù)雜空間焊縫的遙控示教（見圖3）。
（3）力覺傳感輔助示教
由于視覺誤差，立體視覺示教精度低，激光視覺傳感能夠獲取焊縫輪廓信息，反饋給機器人控制器實時調(diào)整焊槍位姿跟蹤焊縫。但也無法適應(yīng)所有遙控焊接環(huán)境，如工件表面狀態(tài)對激光輔助示教有一定影響，不規(guī)則焊縫特征點提取困難，為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)高洪明等提出了“遙控焊接力覺遙示教技術(shù)”，采用力傳感器對焊縫進(jìn)行辨識，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，反應(yīng)靈敏度高，力覺傳感與焊縫直接接觸，示教精度高。通過力覺遙示教焊縫辨識模型和自適應(yīng)控制模型，實現(xiàn)遙示教局部自適應(yīng)控制，通過共享技術(shù)和視覺臨場感實現(xiàn)人對遙控焊接遙示教宏觀全局監(jiān)控。
（4）專用工具輔助示教
為了使得機器人在三維空間示教過程更直觀，一些輔助示教工具被引入在線示教過程，輔助示教工具包括位置測量單元和姿態(tài)測量單元，分別來測量空間位置和姿態(tài)。由兩個手臂和一個手腕組成，有6個自由度，通過光電編碼器來記錄每個關(guān)鍵的角度。操作時，由操作人員手持該設(shè)備的手腕，對加工路徑進(jìn)行示教，記錄下路徑上每個點的位置和姿態(tài)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機器人的加工路徑值，實現(xiàn)示教編程，操作簡便， 精度高，不需要操作者實際操作機器人，這對很多非專業(yè)的操作人員來說是非常方便的。
借助激光等裝置進(jìn)行輔助示教，提高了機器人使用的柔性和靈活性，降低了操作的難度，提高了機器人加工的精度和效率，這在很多場合是非常實用的。
離線編程技術(shù)
與在線編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點：
①減少停機的時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機器人可仍在生產(chǎn)線上工作。
②使編程者遠(yuǎn)離危險的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境。
③使用范圍廣，可以對各種機器人進(jìn)行編程，并能方便地實現(xiàn)優(yōu)化編程。
?、鼙阌诤虲AD/CAM 系統(tǒng)結(jié)合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS一體化。
?、菘墒褂酶呒売嬎銠C編程語言對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程。
⑥便于修改機器人程序。
?。?）編程關(guān)鍵步驟
機器人離線編程是利用計算機圖形學(xué)的成果，通過對工作單元進(jìn)行三維建模，在仿真環(huán)境中建立與現(xiàn)實工作環(huán)境對應(yīng)的場景，采用規(guī)劃算法對圖形進(jìn)行控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)而產(chǎn)生機器人程序。其中關(guān)鍵步驟如圖4所示。圖5 為采用FANUC 公司的Roboguide軟件進(jìn)行離線編程的一個實例。產(chǎn)品為大眾汽車模具的一部分，需要對其表面進(jìn)行激光熔覆，由于表面較為復(fù)雜，采用人工示教方式確定路徑幾無可能，故采用離線編程軟件進(jìn)行解決。首先建立模具的C A D模型，以及機器人和模具之間的幾何位置關(guān)系，然后根據(jù)特定的工藝進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線編程仿真，確認(rèn)無誤后下載到機器人控制中執(zhí)行，實踐證明取得了較好的效果。
?。?）商業(yè)離線編程軟件
一般包括: 幾何建模功能、基本模型庫、運動學(xué)建模功能、工作單元布局功能、路徑規(guī)劃功能、自動編程功能、多機協(xié)調(diào)編程與仿真功能。
第三方離線編程（國內(nèi)）：RobotArtRobotMaster、 RobotWorks、Robomove、RobotCAD、DELMIA、ARStudio（眾為興）
機器人廠家（國外）：RobotStudio、RoboGuide、KUKA Sim 、MotoSim
可對系統(tǒng)布局進(jìn)行模擬，確認(rèn)TCP的可達(dá)性，是否干涉，也可進(jìn)行離線編程仿真，然后將離線編程的程序仿真確認(rèn)后下載到機器人中執(zhí)行。
自主編程技術(shù)
隨著技術(shù)的發(fā)展，各種跟蹤測量傳感技術(shù)日益成熟，人們開始研究以焊縫的測量信息為反饋，由計算機控制焊接機器人進(jìn)行焊接路徑的自主示教技術(shù)。
（1）基于激光結(jié)構(gòu)光的自主編程
基于結(jié)構(gòu)光的路徑自主規(guī)劃其原理是將結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機器人的末端，形成“眼在手上”的工作方式，如圖6所示，利用焊縫跟蹤技術(shù)逐點測量焊縫的中心坐標(biāo)，建立起焊縫軌跡數(shù)據(jù)庫，在焊接時作為焊槍的路徑。
韓國Pyunghyun Kim 將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在 6 自由度焊接機器人末端，對結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自由表面焊縫進(jìn)行了自主示教。在焊縫上建立了一個隨焊縫軌跡移動的坐標(biāo)來表達(dá)焊縫的位置和方向，并與連接類型（搭接、對接、V 形）結(jié)合形成機器人焊接路徑，其中還采用了 3 次樣條函數(shù)對空間焊縫軌跡進(jìn)行擬合，避免了常規(guī)的直線連接造成的誤差，如圖7所示。
（2）基于雙目視覺的自主編程
基于視覺反饋的自主示教是實現(xiàn)機器人路徑自主規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，其主要原理是：在一定條件下，由主控計算機通過視覺傳感器沿焊縫自動跟蹤、采集并識別焊縫圖像，計算出焊縫的空間軌跡和方位（即位姿），并按優(yōu)化焊接要求自動生成機器人焊槍(Torch)的位姿參數(shù)。
（3）多傳感器信息融合自主編程
有研究人員采用力控制器，視覺傳感器以及位移傳感器構(gòu)成一個高精度自動路徑生成系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖8所示，該系統(tǒng)集成了位移、力、視覺控制，引入視覺伺服，可以根據(jù)傳感器反饋信息來執(zhí)行動作。該系統(tǒng)中機器人能夠根據(jù)記號筆所繪制的線自動生成機器人路徑，位移控制器用來保持機器人T C P點的位姿，視覺傳感器用來使得機器人自動跟隨曲線，力傳感器用來保持TCP點與工件表面距離恒定。
基于增強現(xiàn)實的編程技術(shù)
增強現(xiàn)實技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種實時地計算攝像機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并互動，增強現(xiàn)實技術(shù)使得計算機產(chǎn)生的三維物體融合到現(xiàn)實場景中，加強了用戶同現(xiàn)實世界的交互。將增強現(xiàn)實技術(shù)用于機器人編程具有革命性意義。
增強現(xiàn)實技術(shù)融合了真實的現(xiàn)實環(huán)境和虛擬的空間信息，它在現(xiàn)實環(huán)境中發(fā)揮了動畫仿真的優(yōu)勢并提供了現(xiàn)實環(huán)境與虛擬空間信息的交互通道。例如一臺虛擬的飛機清洗機器人模型被應(yīng)用于按比例縮小的飛機模型?？刂铺摂M的機器人針對飛機模型沿著一定的軌跡運動，進(jìn)而生成機器人程序，之后對現(xiàn)實機器人進(jìn)行標(biāo)定和編程。
基于增強現(xiàn)實的機器人編程技術(shù)（RPAR）能夠在虛擬環(huán)境中沒有真實工件模型的情況下進(jìn)行機器人離線編程。由于能夠?qū)⑻摂M機器人添加到現(xiàn)實環(huán)境中，所以當(dāng)需要原位接近的時候該技術(shù)是一種非常有效的手段，這樣能夠避免在標(biāo)定現(xiàn)實環(huán)境和虛擬環(huán)境中可能碰到的技術(shù)難題。增強現(xiàn)實編程的架構(gòu)如圖9所示，由虛擬環(huán)境、操作空間、任務(wù)規(guī)劃以及路徑規(guī)劃的虛擬機器人仿真和現(xiàn)實機器人驗證等環(huán)節(jié)組成。
總結(jié)：傳統(tǒng)的在線示教編程將只在很少的場合得到應(yīng)用，隨著技術(shù)的更新，后三種會慢慢增長，有的還是在技術(shù)研發(fā)期，誰先有突破，都將獲得市場。