机器人最终还是由人来操作的,所以一定的示教是必需的,所谓示教,其实是由人工给予机器人一个运动轨迹,机器人按照轨迹路线完成既定的加工要求[66]。机器人示教的工作原理是通过赋予执行机构末端的位置和姿态参数,确定操作空间内的位置坐标,从而衔接成一条运动轨迹。机器人内部则是以各关节的最优配置关节转角驱动连杆完成相应运动指令。其他方面包括机器人与辅助设备的同步配合以及执行机构速度、加速度、角速度的整体调控[67]。以下是对机器人位姿示教的分类介绍,大致可分为直接示教、遥控示教、间接示教和离线示教[68],如图1-17所示。

由于关节驱动的方式不同,直接示教分为两大部分[69]:一种是各关节驱动电动机处于自由状态的功率级脱离示教,该示教方式属于人机协作示教,由操作者牵引执行机构末端,按照预定轨迹完成示教运动[70];另一种是各关节驱动电动机处于自锁状态的伺服级接通示教,通过加装力传感器于执行机构末端,引导机器人按照既定轨迹运动[71]。功率级脱离示教对于示教者的劳动强度比较大,故应用领域比较受限。

图1-17　示教技术分类(www.daowen.com)

遥控示教法中最常见的示教方法是示教盒示教,也是目前应用比较广泛的一种方法[72]。示教盒示教是通过遥控一个多功能操作盒,实现控制机器人位置和姿态轨迹的目的,优势在于可以远距离操纵机器人,示教盒示教通过远距离操纵方向摇杆可以直接线性控制执行机构末端的位置变化,也可以单独控制某个关节的转动,操作灵活多变,可适用于多种场合,移动到既定位置完成坐标点记录,反复以上动作,形成一条由坐标点连接而成的运动轨迹,自动完成轴参数配置,确定最优关节驱动转角,同时,还可以设置动作的先后顺序以及对末端执行机构位置的精确定位,并对其进行微量调整。该示教方法面对复杂的运动轨迹很难实现精确记录每一点,故一般用于简单的运动轨迹,通过插补算法得出示教点中间的轨迹[73]。由于该示教方式的局限性,面对需要完成很多点示教的复杂场合,这种示教方式不仅费时费力,还无法达到精确的工艺要求,间接影响生产效率。另外,对于一些像抛光、打磨、曲面跟踪等复杂轨迹的情况,也同样很难满足要求。遥控示教还包括主从式机构联动示教[74],示教者只需要操控示教端就可以间接控制操作端的运动情况,该示教方式多用于高温、辐射等对人体不利的情况[75]。

间接示教的典型方式是基于虚拟现实技术的示教方法。作为高端人机界面,虚拟现实允许用户通过各种交互设备(如声音、图像、力和图形)实时与虚拟环境进行交互。根据用户命令或操作提示示教或监控机器人完成复杂任务[76]。综上所述,虚拟示教技术的主要特点是:依靠相应作用的传感器(如视觉、听觉、力觉传感器)和对应的数学模型支撑,使人与虚拟世界交互时产生一种“身临其境”的真实感,仿佛自己身在机器人中,能够灵活自如地控制机械臂运动,从而为用户提供一种全新的人机交互示教环境[77]。

离线示教通过计算机模拟工件原型,在计算机仿真软件中进行示教工作,完全还原实际机器人的工作情况,最后将示教控制程序导入到机器人系统,完成示教再现工作。但该示教方式对示教者要求比较高,需要掌握一定的计算机编程能力和运动学原理[78～79]。