小批量生產(chǎn)加工企業(yè)經(jīng)常需要變化生產(chǎn)流程，這樣常常會因此影響中小型企業(yè)使用機器人技術(shù)的經(jīng)濟性。為此，人們研發(fā)出了一種能夠快速和直觀實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器人進行互動。
今天，很多生產(chǎn)流程借助工業(yè)機器人實現(xiàn)了自動化。在使用中，借助編碼控制程序?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機器人運動和控制工具的自動化生產(chǎn)流程。通常，該過程在企業(yè)投入生產(chǎn)的時間點便根據(jù)生產(chǎn)的需求一次性進行設(shè)置，且在整個生產(chǎn)過程中保持不變。由于嚴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，機器人能夠如其在工業(yè)自動化那樣確保穩(wěn)定的生產(chǎn)工序。
通過降低加工工件個數(shù)實現(xiàn)多個生產(chǎn)運行過程
加工企業(yè)的產(chǎn)量越高，具體到每個單件產(chǎn)品的投入也就越低。目前，日益增加的發(fā)展趨勢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，這樣在自動化生產(chǎn)中加工制造生產(chǎn)成本在不斷加大。這對于中小型企業(yè)（KMU）來說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)對企業(yè)工作人員的技術(shù)水平要求更高。那么，人們在考慮，中小型企業(yè)為了實現(xiàn)自動化生產(chǎn)購置機器人生產(chǎn)單元已經(jīng)進行的高投資，盡管從技術(shù)的角度看，機器人生產(chǎn)單元在技術(shù)層面很有必要，但是從整個加工生產(chǎn)來看這樣做并不經(jīng)濟。
提高中小型企業(yè)工業(yè)機器人生產(chǎn)的關(guān)鍵在于，對機器人實現(xiàn)簡單的編程，以便那些沒有經(jīng)過機器人編程培訓(xùn)的工作人員能夠快速學(xué)會如何實現(xiàn)機器人編程并能夠在生產(chǎn)中實現(xiàn)。而今天，機器人編程是一個必要的協(xié)調(diào)系統(tǒng)思維過程，需根據(jù)生產(chǎn)廠家和機器人的動力機械學(xué)原理并結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)的機器設(shè)備的具體情況才能實現(xiàn)機器人的編程，因此機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)實的機器人生產(chǎn)單元記住機床工具的定位數(shù)據(jù)，然后以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)自動化設(shè)置機器人程序
焦點是提高操作的直觀性
順列性錯誤，也就是由于缺乏生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)機器人程序化語言方面的知識而犯下的錯誤是能夠自動識別的，部分錯誤也是能夠排除的；而由于運動命令的錯誤鏈接而產(chǎn)生的邏輯性錯誤，通常是不能識別且會引起沖突和導(dǎo)致生產(chǎn)人員人身危險。需根據(jù)工業(yè)機器人的具體應(yīng)用目的，為生產(chǎn)人員投入高昂的培訓(xùn)費用。現(xiàn)在盡管工業(yè)機器人的銷售數(shù)量在增多，但在機器人用戶范圍內(nèi)，也只有少數(shù)大型企業(yè)和重要行業(yè)在購置機器人時便要求為機器人研發(fā)投產(chǎn)使用和操作的技術(shù)方案。
為了實現(xiàn)機器人運動的高靈活性，同時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)機器人運動的高靈活性，近20余年來，德國亞琛（Achen）工業(yè)大學(xué)（RWTU）的機床實驗室（WZL）一直在研究和試驗設(shè)備技術(shù)方案和編程方法。該研究和試驗的重點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)會編程方法。因此，隨著Prodemo研發(fā)出機器人編程系統(tǒng)，以使操作人員能夠直接與機器人互動。
圖2 Prodemo-System機器人編程系統(tǒng)的部件
這種從本企業(yè)實際出發(fā)的機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)測操作人員的動作并直接將操作人員的動作轉(zhuǎn)換至機器人的動作中（圖1）。操作人員得到一個直接的反饋并將機器人設(shè)置到理想的位置。因為機器人的動作始終是按照操作人員的動作變化的，所以傳統(tǒng)的機器人相互協(xié)調(diào)系統(tǒng)的理念便不起作用，這樣便不會出現(xiàn)操作人員難以估計機器人的運動方向，特別是機器人開始動作時的運動方向，從而排除了在進行機器人編程時，操作人員在機器附近經(jīng)常發(fā)生的人與機器設(shè)備的沖突。
操作人員的動作被直接轉(zhuǎn)化為機器人的動作
Prodemo出發(fā)對機器人進行編程的結(jié)果也跟采用傳統(tǒng)的機器人編程的方法一樣，以編碼的形式出現(xiàn)，這樣在生產(chǎn)運行的過程中，不會改變機器人設(shè)備的運行準確性和耐用性。系統(tǒng)操作的必要部件如圖2所示，由一個運動引導(dǎo)裝置（BFG）、一個紅外線跟蹤系統(tǒng)、一個貫性傳感器以及一個工業(yè)機器人專用適配凸緣組成。
無論是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)進行識別并準確的檢測其在空間的位置和運動方向。這樣，不具備機器人專業(yè)知識的操作人員便可將直觀動作直接轉(zhuǎn)換為機器人動作。通過BFG上的一個確認鍵來實現(xiàn)機器人動作引導(dǎo)的執(zhí)行。此外，也是通過BFG來實現(xiàn)機器人的其他功能。BFG存儲著各個不同的安全功能和緊急斷閘開關(guān)以及如機器人夾鉗開啟/關(guān)閉或支承點等作業(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BFG。原因是，在企業(yè)投入生產(chǎn)運行后，不由IR系統(tǒng)的常設(shè)位置實現(xiàn)機器人的動作的位置，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器人編程的過程中是可變化的和可進行選擇的。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)機器人的運動范圍，從而能夠?qū)⒉僮魅藛T受傷的風(fēng)險降至最低。
研究人員在這些系統(tǒng)部件的基礎(chǔ)上研發(fā)出了操作人員與機器人各種互動的可能性，這些互動可能性可根據(jù)操作人員的狀況自由轉(zhuǎn)換接通。操作人員與機器人互動的各種可能模式如圖3所示。除了已經(jīng)介紹的機器人動作的直接引導(dǎo)（如圖3A所示）外，操作人員同時還可以選擇機器人軸的專門動作（如圖3B所示），也就是能夠選擇機器人各個軸的轉(zhuǎn)動。
圖3 編程系統(tǒng)提供了各種不同互動的可能性
無論是直角坐標參考系控制模式還是軸專門控制模式，BFG和機器人凸緣之間的動作調(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)換或是實現(xiàn)動作數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在減速時，BFG的一個大動作僅導(dǎo)致生成機器人凸緣的一個小動作；在轉(zhuǎn)換時，一個小的動作規(guī)定值會傳遞給機器人凸緣的一個大動作。這樣，在臨界狀態(tài)時，如操作人員接近機器人夾鉗位置時機器人的準確定位，以及在非臨界狀態(tài)如在傳輸運動時，機器人便能夠快速運動。
在直角坐標參考系控制模式框架內(nèi)存在著這樣的可能性，即將機器人的運動阻隔在一個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記自由定位操作人員在一空間的機動坐標。沿著該坐標軸，既可傳輸式限定操作人員的動作又可循環(huán)的限定操作人員的動作。這樣，操作人員的動作只可沿著容許的坐標軸傳動給工業(yè)機器人。這樣，只可以進行如沿著機器人夾鉗表面或是垂直于機器人夾鉗的位置的精準動作。
圖4 自由定義坐標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器人操作任務(wù)的編程，如機器和設(shè)備在完成全部工件堆垛作業(yè)任務(wù)時機器人操作任務(wù)的編程。通過程序輔助，如移動（磁）坐標和實現(xiàn)簡單的TCP測量的可能性，可附帶實現(xiàn)機器人動作走向的透明度且增加這種機器人程序化的直觀性（圖4）。操作人員可單手操作BFG，這樣便簡化了存取BFG常用功能的操作，如無級調(diào)節(jié)減速比、開啟/關(guān)閉夾鉗或是存儲具體的運行軌跡點。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，僅需要為了實施所研發(fā)軟件的一個標準型筆記本電腦（Standard Laptop）（圖5）。除了前面已經(jīng)介紹的具有調(diào)整操作人員和機器人互動模式的可能性外，實施研發(fā)的軟件包括用于確定程序結(jié)構(gòu)的圖像化。在此，所儲存的點和已經(jīng)設(shè)置的程序過程之后還可進行改變。而且進行改變時不需要為此直接連接機器人控制裝置。
圖5 用于確定機器人運行形式和程序過程邏輯的操作人員操作控制表面
通過標準界面實現(xiàn)信息交換
在與運動引導(dǎo)裝置直接交互時，背景是軟件正在計算由機器人實施的動作，并將計算結(jié)果發(fā)送給機器人控制裝置。軟件和機器人控制裝置之間的信息交換，如動作和夾鉗的控制方面的信息交換通過在工業(yè)環(huán)境中專用的標準界面進行。由此，Prodemo-System原則上能夠用于任意的機器人運動和控制。
