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黄杰, 2020-04-07
root[a]linuxsand.info
最近公司让我紧急做个 FANUC 机器人的拆垛仿真，需要：
前者这条约束，导致没法用 RoboDK 这样的第三方软件。
于是不得不用 FANUC 的 Roboguide 了，虽然我接触 FANUC 好些年了，但只用 Roboguide 做程序代码的仿真和基本的布局验证。
好一顿折腾，记录如下。不欢迎全文转载或部分转载，请使用超链接传播。
我会从本次任务中抽取几个主题，构成本文内容：
除去机器人模型外，需要若干基本模型，用于支持仿真。例如，搬运对象：箱子（立方体）；托盘；机器人工具（吸盘）。
可以通过文件来导入，也可以在 Roboguide 内进行简单几何体的建模。模型导入或创建完毕后，依据布局图进行相应的模型摆放。
如何安装机器人工具这类操作，不在此赘述，请查找自带的帮助文档，或者按照你习惯的操作进行探索。
Roboguide 给框定的操作逻辑是，用户先想好导入的模型是什么类别（machine / fixture / part / obstacle），然后再导入。
摘录自帮助文档的《Working with Parts》章节：
Parts are objects that the robot can take actions with.There is a direct relationship between fixtures and parts in the workcell.Parts are used in fixtures.Parts must be associated with a fixture and/ or with end of arm tooling before they can be used.例如，已经导入了类别为 Part 的模型，但是它不能直接使用；用户需要将它与夹具或机器人工具关联。
下表为手工生成垛型的操作。
| 示意图 | 说明 |
|---|---|
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左图已经安装了机器人工具，放置了托盘到合适位置；箱子作为 part 已经导入（但由于未关联，因此不显示） |
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左图显示了作为 fixture 的托盘，它的基本属性（位姿等） |
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切换到托盘的 Parts 属性页，可以从中看到仿真工作站内所有的 parts，勾选某个 part 后就完成了 part 与 fixture 的关联 |
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完成关联后，作为 part 的箱子就出现在作为 fixture 的托盘上，由于 part offset 全部为零，箱子位于托盘的几何原点 |
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可以通过调整 part offset 来改变箱子在托盘上的位姿；当前只有一个箱子，点击 Add 按钮后能批量创建箱子副本 |
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进入到 place parts 页面，提供两种方式进行对象的批量产生：类似 AutoCAD 的阵列，或从文本文件导入；左图显示了使用阵列的方式创建四层箱子，每层是三行三列。 |
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创建完成后，可以看到一共有了 36 个箱子， 36 = 3 * 3 * 4，以 box[x, y, z] 的形式来表征。 |
为了实现仿真抓放，我们先配置机器人工具以实现抓取、放置的动画效果，下表的操作将机器人工具（EOAT）与 parts 关联。
| 示意图 | 说明 |
|---|---|
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以工具一（EOAT 1）为例。进入其属性页 |
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切换到 Parts 标签页，与上一章节的关联 fixture 与 part 类似，这里也是勾选 part 即可；同样可以编辑 part offset 来调整 part 在工具上的位姿。 注意：右下角有两个复选框：1）示教时可见；2）运行时可见 —— 顾名思义，前者勾选表示在示教时被关联的 part 是显示在机器人工具上的（如图），后者不勾选表示运行时被关联的 part 不会默认显示，除非调用了 Pickup 命令。需要手动测试位姿数据的合理性：将机器人移动到某个箱子上表面附近，点击左图右下角的 MoveTo，如果不能按预期到达箱子上表面，请检查箱子的姿态。 |
将机器人工具与 part 关联后，如何实现 attach / detach 呢？Roboguide 提供了一种特别类型的程序，叫做仿真程序（Simulation program）；它与真实的机器人程序（TPE / KAREL 程序）不同，只能用于仿真环境。
从 Teach 菜单添加仿真程序，例如 attach_box：
| 示意图 | 说明 |
|---|---|
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插入 Pickup 指令，Pickup (part) From (fixture) With (tool) 用什么工具从哪里抓取什么工件，很好理解了 |
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可以从下拉菜单中选择某个特定的 part 副本，此处选择了 box[*]，实测效果为抓取最靠近机器人工具的 part 副本，类似于 AttachClosest 这样的语义。 |
同理，可以添加放置的程序（使用 Drop 指令）。至此完成了仿真抓放。
终于到了综合部分：如何让机器人运动到某个位姿，抓取箱子，运动到另一个位姿，放置箱子。
如果抓取位姿、放置位姿都是固定的，那么很简单：添加仿真程序，插入类似 J P[...] 100% FINE 的指令，混合 Pickup Drop 指令就可以。
但是本任务的特点是：
好，这“一推一拉”的形势，决定了我们肯定要用聪明些的方法。
帮助文档的《Teach a program》章含有 Combining simulation and TP programs into a single animation program 小节，完成本任务需要用到仿真程序和机器人程序的结合。因为仿真程序（Simulation program）的指令和能力非常有限。
我的思路为，得到箱子位姿后，设法计算、生成两个机器人程序（APPRO.TP / PICK.TP，前者为接近、离开某个箱子提供位姿数据，后者为吸取某个箱子提供位姿数据）；这两个机器人程序被仿真程序调用，如下图。
细心的读者会发现，在仿真程序中使用了全局的数字寄存器 R[1]，用以表示当前搬运哪个箱子。APPRO.TP / PICK.TP 会查询 R[1] 的值，来提供正确的箱子位姿，同样地，当前的箱子位姿使用了全局的位置寄存器 PR[1]。
| 示意图 | 说明 |
|---|---|
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回到托盘：托盘属性的 part 标签页下，有 Export 按钮，点击后即可导出箱子数据 |
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导出格式为 CSV 文件，利于外部处理；打开 CSV 文件可以看到，每行是单个箱子的位姿 X Y Z RX RY RZ；这个位姿的含义是：箱子参考托盘的位姿 |
5.3 节得到了箱子参考托盘的位姿，实际使用时应该把箱子位姿变换到机器人世界坐标系下面：托盘位姿是已知的，所以箱子的绝对位姿是可以在外部算出来的。
得到箱子的绝对位姿后，至少要按照箱子的 Z 值排序，以便进行从高到低的拆垛（废话）。当吸盘比箱子大时，同层的箱子也不能随便吸取，否则就露馅了；而是应当用吸盘边角去吸取。这个涉及到计算，为了减少麻烦，本次通过设置机器人工具的 part offset 来规避。
到这里，我们已经手握 36 个处理后（排序）的箱子位姿，就可以根据如下的 FANUC TPE 程序的模板来生成 APPRO.TP / PICK.TP 了 （注意，下面的代码无法成功编译，仅作示意）。说白了，就是使用你熟悉的工具、编程语言进行文本处理。
点击这里下载生成的 pick.ls 程序，注意 pick.ls 是为了配合仿真程序而生成的，很冗长。
科普：TPE 程序的源文件后缀为 .ls，可以通过 Roboguide 或 WinOLPC 编译成二进制的 .tp，.tp 能直接被 FANUC 控制器加载执行。
/PROG PICK
/ATTR
OWNER = MNEDITOR;
COMMENT = ""
PROG_SIZE = 913;
CREATE = DATE 20-03-28 TIME 11:00:00;
MODIFIED = DATE 20-03-28 TIME 11:00:00;
FILE_NAME = ;
VERSION = 0;
LINE_COUNT = 13;
MEMORY_SIZE = 1197;
PROTECT = READ_WRITE;
TCD: STACK_SIZE = 0,
TASK_PRIORITY = 50,
TIME_SLICE = 0,
BUSY_LAMP_OFF = 0,
ABORT_REQUEST = 0,
PAUSE_REQUEST = 0;
DEFAULT_GROUP = 1,*,*,*,*,*,*,* ;
CONTROL_CODE = 00000000 00000000;
/APPL
/MN
1:UTOOL_NUM[GP1]= 1 ;
2:UFRAME_NUM[GP1]= 0 ;
! 一堆运动语句;
/POS
! 一堆位姿数据
/END
至此，仿真程序就能调用生成的机器人程序（包含接近、吸取、离开箱子的位姿），实现精确运动到每个箱子上表面，抓取和放置了。