小批量生產(chǎn)加工企業(yè)經(jīng)常需要變化生產(chǎn)流程，這樣常常會(huì)因此影響中小型企業(yè)使用機(jī)器人技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。為此，人們研發(fā)出了一種能夠快速和直觀實(shí)施的新程序化或是調(diào)整原有程序的編程系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可使操作人員可直接與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)。
今天，很多生產(chǎn)流程借助工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。在使用中，借助編碼控制程序?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制工具的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。通常，該過程在企業(yè)投入生產(chǎn)的時(shí)間點(diǎn)便根據(jù)生產(chǎn)的需求一次性進(jìn)行設(shè)置，且在整個(gè)生產(chǎn)過程中保持不變。由于嚴(yán)格完成編程且程序具有高重復(fù)精確度，所以在大批量部件的加工作業(yè)以及整套加工作業(yè)過程中，機(jī)器人能夠如其在工業(yè)自動(dòng)化那樣確保穩(wěn)定的生產(chǎn)工序。
通過降低加工工件個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行過程
加工企業(yè)的產(chǎn)量越高，具體到每個(gè)單件產(chǎn)品的投入也就越低。目前，日益增加的發(fā)展趨勢(shì)是加工工件的增加品種不斷增加，相同的加工工件的數(shù)量在不斷減少，這樣在自動(dòng)化生產(chǎn)中加工制造生產(chǎn)成本在不斷加大。這對(duì)于中小型企業(yè)（KMU）來(lái)說(shuō)便面臨著雙重成本壓力。一方面，中小型企業(yè)接到定單的工件加工件數(shù)量少，而另一方面，要完成這樣的工件加工任務(wù)對(duì)企業(yè)工作人員的技術(shù)水平要求更高。那么，人們?cè)诳紤]，中小型企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)購(gòu)置機(jī)器人生產(chǎn)單元已經(jīng)進(jìn)行的高投資，盡管從技術(shù)的角度看，機(jī)器人生產(chǎn)單元在技術(shù)層面很有必要，但是從整個(gè)加工生產(chǎn)來(lái)看這樣做并不經(jīng)濟(jì)。
提高中小型企業(yè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)的關(guān)鍵在于，對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的編程，以便那些沒有經(jīng)過機(jī)器人編程培訓(xùn)的工作人員能夠快速學(xué)會(huì)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人編程并能夠在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。而今天，機(jī)器人編程是一個(gè)必要的協(xié)調(diào)系統(tǒng)思維過程，需根據(jù)生產(chǎn)廠家和機(jī)器人的動(dòng)力機(jī)械學(xué)原理并結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)的機(jī)器設(shè)備的具體情況才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的編程，因此機(jī)器人編程帶有濃烈的數(shù)學(xué)色彩。
圖1 操作人員既可用工作環(huán)境的幾何模式也可用現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人生產(chǎn)單元記住機(jī)床工具的定位數(shù)據(jù)，然后以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)置機(jī)器人程序
焦點(diǎn)是提高操作的直觀性
順列性錯(cuò)誤，也就是由于缺乏生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)機(jī)器人程序化語(yǔ)言方面的知識(shí)而犯下的錯(cuò)誤是能夠自動(dòng)識(shí)別的，部分錯(cuò)誤也是能夠排除的；而由于運(yùn)動(dòng)命令的錯(cuò)誤鏈接而產(chǎn)生的邏輯性錯(cuò)誤，通常是不能識(shí)別且會(huì)引起沖突和導(dǎo)致生產(chǎn)人員人身危險(xiǎn)。需根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的具體應(yīng)用目的，為生產(chǎn)人員投入高昂的培訓(xùn)費(fèi)用。現(xiàn)在盡管工業(yè)機(jī)器人的銷售數(shù)量在增多，但在機(jī)器人用戶范圍內(nèi)，也只有少數(shù)大型企業(yè)和重要行業(yè)在購(gòu)置機(jī)器人時(shí)便要求為機(jī)器人研發(fā)投產(chǎn)使用和操作的技術(shù)方案。
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的高靈活性，同時(shí)也是為了在新的工業(yè)領(lǐng)域，特別是在中小型企業(yè)（KMU）能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的高靈活性，近20余年來(lái)，德國(guó)亞琛（Achen）工業(yè)大學(xué)（RWTU）的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室（WZL）一直在研究和試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)方案和編程方法。該研究和試驗(yàn)的重點(diǎn)特別放在操作的直觀性方面，目的是使沒有受過專業(yè)培訓(xùn)的人能夠容易的學(xué)會(huì)編程方法。因此，隨著Prodemo研發(fā)出機(jī)器人編程系統(tǒng)，以使操作人員能夠直接與機(jī)器人互動(dòng)。
圖2 Prodemo-System機(jī)器人編程系統(tǒng)的部件
這種從本企業(yè)實(shí)際出發(fā)的機(jī)器人編程方案建立在展示性編程理念上。在此，由傳感器監(jiān)測(cè)操作人員的動(dòng)作并直接將操作人員的動(dòng)作轉(zhuǎn)換至機(jī)器人的動(dòng)作中（圖1）。操作人員得到一個(gè)直接的反饋并將機(jī)器人設(shè)置到理想的位置。因?yàn)闄C(jī)器人的動(dòng)作始終是按照操作人員的動(dòng)作變化的，所以傳統(tǒng)的機(jī)器人相互協(xié)調(diào)系統(tǒng)的理念便不起作用，這樣便不會(huì)出現(xiàn)操作人員難以估計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，特別是機(jī)器人開始動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，從而排除了在進(jìn)行機(jī)器人編程時(shí)，操作人員在機(jī)器附近經(jīng)常發(fā)生的人與機(jī)器設(shè)備的沖突。
操作人員的動(dòng)作被直接轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的動(dòng)作
Prodemo出發(fā)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程的結(jié)果也跟采用傳統(tǒng)的機(jī)器人編程的方法一樣，以編碼的形式出現(xiàn)，這樣在生產(chǎn)運(yùn)行的過程中，不會(huì)改變機(jī)器人設(shè)備的運(yùn)行準(zhǔn)確性和耐用性。系統(tǒng)操作的必要部件如圖2所示，由一個(gè)運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)裝置（BFG）、一個(gè)紅外線跟蹤系統(tǒng)、一個(gè)貫性傳感器以及一個(gè)工業(yè)機(jī)器人專用適配凸緣組成。
無(wú)論是BFG還是專用適配凸緣均有光學(xué)的紅外線顯示，通過紅外線跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別并準(zhǔn)確的檢測(cè)其在空間的位置和運(yùn)動(dòng)方向。這樣，不具備機(jī)器人專業(yè)知識(shí)的操作人員便可將直觀動(dòng)作直接轉(zhuǎn)換為機(jī)器人動(dòng)作。通過BFG上的一個(gè)確認(rèn)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作引導(dǎo)的執(zhí)行。此外，也是通過BFG來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的其他功能。BFG存儲(chǔ)著各個(gè)不同的安全功能和緊急斷閘開關(guān)以及如機(jī)器人夾鉗開啟/關(guān)閉或支承點(diǎn)等作業(yè)程序操作功能。
紅外跟蹤系統(tǒng)的位置可自由選擇
原則上，顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直接操作規(guī)則要求通過紅外線跟蹤系統(tǒng)持續(xù)檢測(cè)BFG。原因是，在企業(yè)投入生產(chǎn)運(yùn)行后，不由IR系統(tǒng)的常設(shè)位置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作的位置，可形成這樣的可能性，即IR系統(tǒng)在空間的位置是自由且在機(jī)器人編程的過程中是可變化的和可進(jìn)行選擇的。紅外線跟蹤系統(tǒng)位置的變化是在慣性以及慣性傳感器磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定的。這樣便能夠徹底分離操作人員與工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，從而能夠?qū)⒉僮魅藛T受傷的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
研究人員在這些系統(tǒng)部件的基礎(chǔ)上研發(fā)出了操作人員與機(jī)器人各種互動(dòng)的可能性，這些互動(dòng)可能性可根據(jù)操作人員的狀況自由轉(zhuǎn)換接通。操作人員與機(jī)器人互動(dòng)的各種可能模式如圖3所示。除了已經(jīng)介紹的機(jī)器人動(dòng)作的直接引導(dǎo)（如圖3A所示）外，操作人員同時(shí)還可以選擇機(jī)器人軸的專門動(dòng)作（如圖3B所示），也就是能夠選擇機(jī)器人各個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖3 編程系統(tǒng)提供了各種不同互動(dòng)的可能性
無(wú)論是直角坐標(biāo)參考系控制模式還是軸專門控制模式，BFG和機(jī)器人凸緣之間的動(dòng)作調(diào)節(jié)因素是可以調(diào)整的（如圖3C所示）。這種調(diào)節(jié)因素能轉(zhuǎn)換或是實(shí)現(xiàn)動(dòng)作數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在減速時(shí)，BFG的一個(gè)大動(dòng)作僅導(dǎo)致生成機(jī)器人凸緣的一個(gè)小動(dòng)作；在轉(zhuǎn)換時(shí)，一個(gè)小的動(dòng)作規(guī)定值會(huì)傳遞給機(jī)器人凸緣的一個(gè)大動(dòng)作。這樣，在臨界狀態(tài)時(shí)，如操作人員接近機(jī)器人夾鉗位置時(shí)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，以及在非臨界狀態(tài)如在傳輸運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人便能夠快速運(yùn)動(dòng)。
在直角坐標(biāo)參考系控制模式框架內(nèi)存在著這樣的可能性，即將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)阻隔在一個(gè)具體的空間自由度范圍內(nèi)（如圖3D所示）。這樣，同樣可借助于紅外線標(biāo)記自由定位操作人員在一空間的機(jī)動(dòng)坐標(biāo)。沿著該坐標(biāo)軸，既可傳輸式限定操作人員的動(dòng)作又可循環(huán)的限定操作人員的動(dòng)作。這樣，操作人員的動(dòng)作只可沿著容許的坐標(biāo)軸傳動(dòng)給工業(yè)機(jī)器人。這樣，只可以進(jìn)行如沿著機(jī)器人夾鉗表面或是垂直于機(jī)器人夾鉗的位置的精準(zhǔn)動(dòng)作。
圖4 自由定義坐標(biāo)系以支持程序化過程
借助于各種不同的交互可能性，這種Prodemo-System便形成了滿足用戶要求的機(jī)器人操作任務(wù)的編程，如機(jī)器和設(shè)備在完成全部工件堆垛作業(yè)任務(wù)時(shí)機(jī)器人操作任務(wù)的編程。通過程序輔助，如移動(dòng)（磁）坐標(biāo)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的TCP測(cè)量的可能性，可附帶實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作走向的透明度且增加這種機(jī)器人程序化的直觀性（圖4）。操作人員可單手操作BFG，這樣便簡(jiǎn)化了存取BFG常用功能的操作，如無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)減速比、開啟/關(guān)閉夾鉗或是存儲(chǔ)具體的運(yùn)行軌跡點(diǎn)。這樣，操作人員便可不需要觀看顯示，從而能夠把注意力全部集中在他的編程任務(wù)方面。
在使用方面，除了使用相應(yīng)品牌的攝像裝置外，僅需要為了實(shí)施所研發(fā)軟件的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型筆記本電腦（Standard Laptop）（圖5）。除了前面已經(jīng)介紹的具有調(diào)整操作人員和機(jī)器人互動(dòng)模式的可能性外，實(shí)施研發(fā)的軟件包括用于確定程序結(jié)構(gòu)的圖像化。在此，所儲(chǔ)存的點(diǎn)和已經(jīng)設(shè)置的程序過程之后還可進(jìn)行改變。而且進(jìn)行改變時(shí)不需要為此直接連接機(jī)器人控制裝置。
圖5 用于確定機(jī)器人運(yùn)行形式和程序過程邏輯的操作人員操作控制表面
通過標(biāo)準(zhǔn)界面實(shí)現(xiàn)信息交換
在與運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)裝置直接交互時(shí)，背景是軟件正在計(jì)算由機(jī)器人實(shí)施的動(dòng)作，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人控制裝置。軟件和機(jī)器人控制裝置之間的信息交換，如動(dòng)作和夾鉗的控制方面的信息交換通過在工業(yè)環(huán)境中專用的標(biāo)準(zhǔn)界面進(jìn)行。由此，Prodemo-System原則上能夠用于任意的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制。
