摘要：本文主要以三軸臺式工業(yè)機(jī)器人為平臺，采用改進(jìn)的柵格法進(jìn)行加工工件的環(huán)境表示，利用不同優(yōu)先級的權(quán)值進(jìn)行路徑規(guī)劃，設(shè)計具備一定通用性的控制軟件，避免了加工不同工件需重新編寫程序的麻煩。

　　0 引言

　　如今工業(yè)機(jī)器人已逐步融入工業(yè)生產(chǎn)之中，與工業(yè)機(jī)器人開發(fā)相關(guān)的企業(yè)也相繼在中國出現(xiàn)。然而，對于不同客戶的需求，只能通過工程師編寫不同程序的方式來滿足客戶的需求。因此，在這些企業(yè)中，大多數(shù)都是以“非標(biāo)”產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人代售為主。而同一機(jī)器人應(yīng)用于不同工作環(huán)境，在軟件設(shè)計上的通用性問題上一直存在著很大的阻礙。

　　1 機(jī)器人系統(tǒng)框架

　　工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通過控制軟件發(fā)送指令給予SmartPAC 運(yùn)動控制器，由控制器根據(jù)相關(guān)指令轉(zhuǎn)換為軸的驅(qū)動指令并傳輸給相應(yīng)的軸伺服器，軸伺服器根據(jù)接收過來的指令控制軸以執(zhí)行相關(guān)動作。參數(shù)輸入端是由鼠標(biāo)與鍵盤通過USB接口直接接入控制器，該控制器自帶操作系統(tǒng)WinCE.控制軟件在該運(yùn)動控制器的WinCE環(huán)境下運(yùn)行，通過輸入端在控制軟件上設(shè)定相關(guān)參數(shù)或進(jìn)行操作，由通用控制軟件分析并確定一條合適的加工路徑。根據(jù)加工路徑，得出相關(guān)指令集合，通過控制軟件向軸依次發(fā)送指令，以達(dá)到加工工件的目的。

　　該工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)框架如圖1所示。

　　2 通用控制軟件簡介

　　該軟件控制端所控制的機(jī)器人是由三個雅馬哈單軸伺服器以及一個Smart PAC 運(yùn)動控制器相組合而成的三軸臺式工業(yè)機(jī)器人。其中三軸分別命名為X,Y,Z,相互構(gòu)成了一個立體空間。加工工件固定于Y 軸上，處于XY 平面之內(nèi)。在加工工件上分布著N 個加工點(diǎn)。

　　操作人員只需通過該軟件控制端輸入加工工件的模型，以及加工點(diǎn)的位置。通過柵格法加入樹的形式對模型逐步分解，對加工點(diǎn)逐個確定，接下來從中分析出路徑，路徑以短的時間內(nèi)完成單位工件的加工為準(zhǔn)。

　　該三軸臺式工業(yè)機(jī)器人通用控制軟件界面如圖2所示，主要分為4個部分，左上角為參數(shù)設(shè)置面板，左下角為軸位置顯示面板，右上角為控制操作面板，右下角為軸測試面板，用以測試軸能否正常工作。參數(shù)設(shè)置面板與控制操作面板將會在下文中詳細(xì)介紹。

　　3 軟件框架設(shè)計

　　該控制端軟件工作于Windows CE操作系統(tǒng)，在VisualStudio 2005下使用C#語言進(jìn)行開發(fā)。進(jìn)入控制端軟件首先進(jìn)入的是窗體初始化函數(shù)。在窗體初始化函數(shù)中進(jìn)行各軸的配置并啟動軸，以確保各軸在開始工作之前就已回歸零點(diǎn)位置。在回歸零點(diǎn)位置之后，再將各軸關(guān)閉。這里需要注意的是，并不是在窗體初始化函數(shù)里面去等待軸回到零點(diǎn)再進(jìn)行關(guān)閉各軸操作，而是在窗體定時器中去檢測并關(guān)閉。否則，窗體將在相當(dāng)長的一段時間之內(nèi)會處于丟失焦點(diǎn)的狀態(tài)，或窗體需等軸回到零點(diǎn)之后再出現(xiàn)。定時器是整個軟件的一個部分，相當(dāng)于軟件的心臟，它承擔(dān)著軸狀態(tài)檢測、加工工件計數(shù)、指令發(fā)送等功能。圖2為該軟件控制端的界面，在左上角有一個參數(shù)設(shè)置的面板，在這個面板中存在著兩個參數(shù)設(shè)置，分別是軸參數(shù)設(shè)置和工件參數(shù)設(shè)置。軸參數(shù)設(shè)置包含著三軸長度設(shè)置與軸運(yùn)動速度設(shè)置，可將相關(guān)的軸配置信息保存為后綴為txt的文本格式或后綴為doc的Word文檔格式，以便下次直接讀取使用。軸參數(shù)設(shè)置的具體流程圖如圖3所示。

　　工件參數(shù)設(shè)置包括工件模型設(shè)置、工件上的加工點(diǎn)位置的設(shè)置及軸參數(shù)設(shè)置中的文件讀取與保存。其中，模型設(shè)置采用多視角視圖法，視圖個數(shù)根據(jù)所需加工的模型設(shè)定。對于要求不高的模型也可采用數(shù)組輸入的方法。兩種方式的模型輸入都支持拷貝，便于在已有模型上修改加工位置。而加工點(diǎn)的位置則直接在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)置即可。

　　圖2的控制界面中存在著3個按鍵，分別是執(zhí)行、暫停和停止。這3個按鍵分別執(zhí)行著不同功能，一般情況下，只使用暫停按鍵，停止按鍵執(zhí)行急停的任務(wù)，用作緊急處理，當(dāng)停止按鍵按下時，就意味著加工必須重新開始。執(zhí)行和停止按鍵的流程圖如圖4所示。

　　4 路徑規(guī)劃

　　4.1 環(huán)境表示

　　在環(huán)境表示上采用柵格法，用柵格法表示加工工件模型及加工環(huán)境相對容易，但時間復(fù)雜性相對較高。

　　對于工業(yè)加工而言，加工工件一般都是成批量進(jìn)行加工的，只需在次加工該加工工件開銷相對較長的時間，此后的每加工只需從存儲的文件中，調(diào)用之前已得到的路徑進(jìn)行加工即可，而且，工業(yè)加工更需要一個相對較為容易得到的模型。

　　常用的柵格法如圖5 所示。該方法是將整塊目標(biāo)區(qū)域劃分成N 個等份的小格，但是這種方法對于工業(yè)加工來說差，數(shù)據(jù)存儲空間過大，而且時間開銷較大。改進(jìn)后的柵格法如圖6所示。該改進(jìn)后的柵格法是采用逐步細(xì)分法，先將整個區(qū)域細(xì)分成四塊，然后判斷加工點(diǎn)在哪塊區(qū)域，接著在細(xì)分，直到加工點(diǎn)及環(huán)境足以被表示出來為止。該方法在對無加工點(diǎn)和無加工工件的區(qū)域內(nèi)不進(jìn)行細(xì)分，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)消耗，并且有針對性的對有加工點(diǎn)及加工工件的位置進(jìn)行細(xì)分，提高了加工。為了在工件加工時能夠更地表示加工位置，該控制軟件在環(huán)境表示上所采用的是改進(jìn)后的柵格法。

　　在環(huán)境表示的代碼實現(xiàn)上采用鏈表的形式。環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的構(gòu)建采用結(jié)構(gòu)體的形式，其主要包括子結(jié)點(diǎn)地址、父結(jié)點(diǎn)地址和權(quán)值等。不同的權(quán)值代表著不同的含義，可表示存在加工點(diǎn)區(qū)域、靠近加工點(diǎn)區(qū)域、加工工件非加工點(diǎn)部分及其他區(qū)域，它是實行路徑規(guī)劃實現(xiàn)的引領(lǐng)者，在下節(jié)路徑規(guī)劃當(dāng)中將詳細(xì)介紹。環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的代碼如下：

　　一旦區(qū)域劃分完畢，將需要一值予以表示其加工點(diǎn)的位置。采用結(jié)構(gòu)體的形式予以表示，包括X,Y,Z 三個坐標(biāo)，表示其相對于所在結(jié)點(diǎn)空間的坐標(biāo)。該結(jié)構(gòu)體屬于環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的一部分，具體代碼如下：

　　Struct News

　　{int x;int y;int z;};

　　每一個環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)都擁有自己的一個ID 號，即該環(huán)境單位的大小及位置，具體代碼如下：

　　Struct Size

　　{int y;int z;int x;int Size;};

　　x,y,z 分別是區(qū)域空間內(nèi)該坐標(biāo)軸上的值，Size表示該立方體區(qū)域的邊長。

　　4.2 權(quán)值尋找

　　在路徑規(guī)劃上，采用權(quán)值尋找法。對每一個環(huán)境節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行一個權(quán)值的賦予，給予結(jié)點(diǎn)不同的優(yōu)先級，權(quán)值越低，優(yōu)先級越高，用于在路徑尋找中找到路徑。

　　例如，現(xiàn)有4個子節(jié)點(diǎn)A,B,C,D,給予A 結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為100,B結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為80,C結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為50,D結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為10.現(xiàn)在在路徑規(guī)劃尋找路徑時，直接先尋找到D結(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)尋找下去，若出現(xiàn)多個優(yōu)先級相同的結(jié)點(diǎn)時，則分而尋之，到尋找完畢之后，再進(jìn)行路徑選取，可采用權(quán)值之和者優(yōu)先的方法等[6].權(quán)值賦予的優(yōu)先級按由高到低的順序排列為：存在加工點(diǎn)，靠近加工點(diǎn)，加工工件非加工點(diǎn)部分，其他區(qū)域。

　　實驗結(jié)果表明，采用上述路徑規(guī)劃選定的實際加工路徑與理想加工路徑依然存在著一定的差距。圖7為理想加工路徑，圖8為實際加工路徑。

　　5 總結(jié)

　　本文通用控制軟件是在三軸臺式工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，以SmartPAC運(yùn)動控制器為，通過改進(jìn)后的柵格法進(jìn)行模型建立，利用權(quán)值尋找法進(jìn)行樹的遍歷尋找出一條路徑作為加工路徑。經(jīng)實驗表明，該軟件基本達(dá)到軸式機(jī)器人定位要求，能實現(xiàn)簡單的路徑規(guī)劃，具備一定的通用性。針對大批量工業(yè)加工而言，軟件在加工工件的首次模型實現(xiàn)與路徑規(guī)劃上時間開銷較大，相比人為設(shè)定加工路徑要簡單、高效、便捷。（作者：羅民，曹清，張舸）