LG-X101A型 1+X考证工业机器人操作与运维工作站

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工业机器人离线编程系统的特点：

利用计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环境的几何模型，通过对图形的控制和操作，使用机器人编程语言描述作业任务，然后对编程的结果进行三维图形动画仿真，离线计算、规划和调试机器人程序的正确性，并生成机器人控制器可执行的代码，最后通过通讯接口发送至机器人控制器。

在线示教vs 离线编程

离线编程技术的应用困难：

• 需要预先知道工件的精确CAD数学模型
• 对于大型、复杂工件而言，编程效率仍有待改进
• 无法解决“编制的程序对环境的适应性”问题，包括：
• 机器人工作站的布局偏差；
• 机器人作业过程中由于自身精度以及抖动等外部条件的影响出现的加工路径偏差等。

(了解)根据控制级别分类：关节级，操作手级，对象级，任务级

• 关节级(Joint level)：为完成所要求的运动，在关节坐标空间里，分别对机器人的各个关节进行编程。由于给定的工作任务大多是在直角坐标空间中描述，因此关节级编程很不直观。即使完成简单的作业，也要做运动综合才能实现，整个编程过程很不方便且效率低。
• 操作手级（Manipulator level)：对于给定的工作任务，在直角坐标空间里进行编程，根据操作手末端执行器的位姿，采用数学方法计算各个关节的运动量。关节级和操作手级的编程是以机器人的运动为描述中心，通常由使机器人末端执行器从一个位置运动到另一个位置的一系列命令组成，所以也称为动作级编程。
• level）：该级别比操作手级更进一步，它不需知道操作手末端执行器位姿的具体信息（末端执行器的直角坐标值），只要得到确定操作手末端执行器位姿的上级信息（比如一条焊缝的信息），系统自动计算末端执行器的直角坐标值，根据末端执行器的直角坐标值完成预定的工作任务。这意味着存在一个机器人单元的世界模型，从中抽取确定操作手位姿所需的信息，并用于运动控制。
• 任务级(Task level）：这是当前机器人编程的最高级别。任务级编程时，编程者只给机器人直接下达执行某一确定任务的命令（如焊接第三条焊缝），应用人工智能的技术使机器人自动完成指定任务，而不需要指定机器人每一个动作的细节。这不仅要求包含机器人工作环境的世界模型数据，而且需要应用过程的知识和智能算法。

智能编程的概念，相对于示教和离线编程的优点

通过引入外部传感器的感知信息克服多源误差、不确定性、不匹配性等因素的干扰，构建“前端智能感知+后端工艺规划”模式的在线编程与仿真系统平台，结合传统编程方式的优点，克服其缺点。

内部、外部传感器的区别

• 检测和感知机器人本身的状态，如：位置、速度、加速度、驱动力矩等。
• 为本体闭环运动控制系统提供信息反馈。

• 感受本体以外的外界环境/对象信息，识别环境、工件情况或工件与机器人的关系，如力觉、视觉、距离、听觉等。通常安装在末端执行器上。
• 为更高层次的机器人控制提供环境适应能力和智能性。

光学测距的原理，六种实现方法

• 主动法（自然光）和被动法（强光源照射）
• 原理：三角测距为基本原理，可分为
  • 物镜成像条件：根据成像的最佳状态（聚焦）进行距离测量，例如像散法，刀刃法，临界角法
  • 反射光强度：物体表面照度和距离平方成反比，例如光纤测距，反射光相位差测距等
  • 光的波动性：干涉法，对光路差产生的干涉条纹变化进行处理，是当前精密测量的基础
  • 光束投影法：光束照射，检测光斑位置和三角测量
  • 格子投影法：通过格子编码进行投影和变换

根据摄像机的安放位置分类

• 眼看手（Eye-to-hand）：又称全局视觉系统，或“眼在手外”
  • 只能观察到目标，无法观察到机器人的末端，因此需要通过机器人运动学模型来求解目标与机器人末端的关系，这就对摄像机的标定和机器人的模型比较敏感，此外可能会造成目标的遮挡。
• 手眼系统（Eye-in-hand）：“眼在手上”
  • 可以得到目标的精确位置，可以实现精确的控制，但是只能用于小范围工作空间
• 一种解决方案是两者相结合，同时使用。

• 根据视觉处理的方式分类
  • Look-and-move: 开环模式，即“看一眼然后移动”，在摄象机获取图象前机器人本体必须完全停止运动，这种方式控制简单、直接，但难以对快速变化的环境作出反应；
  • 视觉伺服vision servo：闭环模式，即“边看边移动”，适应性好，但实时性要求较高。
  • 视觉伺服控制系统的运动学闭环由视觉反馈与相对位姿估计环节构成，摄像机不断采集图像，通过提取某种图像特征并进行视觉处理后得出机器人末端与目标物体的相对位姿估计。视觉伺服控制器根据任务描述和机器人及目标物体的当前状态，决定机器人相应的操作，并进行轨迹规划，产生相应的控制指令，最后驱动机器人运动。

视觉伺服：PBVS和IBVS，概念，区别，图

根据视觉系统反馈的误差信号定义在三维笛卡尔空间还是图像特征空间，可将视觉伺服系统分为基于位置的视觉伺服控制模式（ＰＢＶＳ）和基于图像的视觉伺服控制模式（ＩＢＶＳ）。

标定：相机标定和手眼标定（掌握概念即可）

手眼标定：求取工具手坐标系和相机坐标系之间的变换关系。

• Tsai等指出，手眼标定问题其实就是求解AX=XB方程问题。其中A为机器人末端连杆坐标系在机器人-摄像机系统移动前后的转换关系，B为摄像机坐标系在移动前后的相对关系。
• 要唯一确定手眼矩阵的各分量，至少需要旋转轴不平行的两组运动，即至少需要三维位置的相机标定结果。由于在观测中一般存在噪声，因此在实际测量中一般需要多组运动来求解该方程。

机器人工作站的构成和设计原则

机器人工作站是指使用一台或多台机器人，配以相应的周边设备，用于完成某一特定工序作业的独立生产系统，也可称为机器人工作单元。

• 主要由机器人及其控制系统、辅助设备以及其他周边设备所构成。
• 机器人及其控制系统应尽量选用标准装置，对于个别特殊的场合需设计专用机器人。而末端执行器等辅助设备以及其他周边设备则随应用场合和工件特点的不同存在着较大差异。

生产周期和生产节拍的概念，区别

生产节拍：完成一个工件规定的处理作业内容所要求的时间，也就是用户规定的年产量对机器人工作站工作效率的要求。

生产周期：机器人工作站完成一个工件规定的处理作业内容所需要花费的时间。

1) 在总体设计阶段，首先要根据计划年产量计算出生产节拍；

2) 计算各个处理动作的时间，确定一个工件处理作业的生产周期；

3) 当生产周期小于生产节拍时，说明该工作站可以完成预定的生产；否则需要重新设计工作站；

4) 重新研究工作站的总体构思，或增加辅助装置，缩短总的生产周期；或增加机器人数量，使多台机器人同时工作，缩短零件的处理周期；或改革处理作业的工艺过程，修改工艺参数；

5) 如果上述措施仍不能满足生产周期小于生产节拍的要求，就要增设相同的机器人工作站，以满足生产节拍。

机器人生产线的构成和设计原则

生产线的概念，与工作站的区别

机器人生产线：是工厂生产自动化程度进一步提高的必然产物，它由两个或两个以上的机器人工作站、物流系统和必要的非机器人工作站组成，完成一系列以机器人作业为主的连续生产自动化系统。

与工作站的区别：一条生产线包含多个工作站，每个工作站可能有若干工位，包含一台或多台机器人。

生产周期的四条设计原则

机器人生产线是一个完整的产品生产体系。在总体设计中，要根据工厂的年产量及预期的投资目标计算出生产线的生产节拍，然后分别确定出各工作站的生产周期，使得各工作站的生产周期均小于或等于生产线的生产节拍。

分散作业内容原则：对作业内容多、耗时长的环节，尽可能分割成几个部分，由若干个工作站分担作业，但要保证技术要求。

重叠设立工作站原则：对工序耗时长且不可分的作业环节，则重叠设立两个或更多的相同工作站进行工件分流，工件交替进入不同的重叠站，出站后再合流进入下一个作业工序。

拼合工序原则：在生产线中也会存在作业内容少、生产周期短的环节，尽可能地将某些工序合并起来，充实一个工作站的作业内容，减少设备投入和生产线的占地面积，相对地提高生产线的效率。

应急储备原则：对于特别重要的生产线或生产线中作业难度大、易出现故障、影响生产的工作站，要有应急处理措施，或配置应急处理装置，或是留出应急处理空间，或者可以切换手工应急处理。

物流通畅原则，避免交叉和回流

工作站的排布要以物流系统顺畅为原则，否则将会造成交叉和回流，给操作和生产带来永久的麻烦。因此，要协调总体占地面积与物流顺畅间的矛盾，使生产线操作便利，省时省力，传送安全。

所谓混流生产就是在同一条生产线上，能够完成同类工件多型号多品种的生产作业，或只需做简单的设备备件变换和调整，就能迅速适应新型号工件的生产。它是衡量机器人生产线水平的一项重要指标，混流能力越强，则生产线的价值、使用效率及寿命就越高。

• 工件夹具共用或可更换；
• 末端执行器通用或可更换；
• 工件品种的识别:准确判断现行生产产品的型号，通过控制系统完成各工作站的夹具、末端执行器以及程序的变换，使整条生产线符合新品种的要求；
• 生产线的再改造：预留工作站，整体更换某个部件；预测增设新装设备的空间；预留控制线点数和气路通道数；控制软件留出子程序接口等。