工业机器人技术及应用(教案)3-手动操纵工业机器人

1 第三章 手动操控工业机器人 3.1 机器人运动轴与坐标系 3.1.1 机器人运动轴的名称 3.1.2 机器人坐标系的特点 3.2 认识和使用示教器 学习目标 导入实例 课堂认知 扩展与提升 本章总结 思考练习 3.3 机器人安全操作规程 3.3.1 示教和自动机器人时 3.3.2 再现和制造运行时 3.4 手动移动机器人 3.4.1 移动模式 3.4.2 典型坐标系下的手动操作 课前解读 工业机器人主要由那几个别组成？ 如何判断工业机器人的点位运动跟连续模式运动？ 学习目标 认知目标 *了解工业机器人的安全操作规程 *熟悉示教器的按钮及使用用途 *掌握机器人运动轴与坐标系 *掌握手动移动机器人的步骤和技巧 能力目标 *能够熟练进行机器人坐标系和运动轴的选用 *能够使用示教器熟练操作机器人实现点动和连续移动 导入实例 Universal Robots 公司打造革命性的新型工业机器人 UR5 机器人自重更轻（仅 18.4 kg ），可以便于地在制造场地移动，而且不需要繁琐的安装与设定就可以快速地融入至生产线中，与人员交互合作。编程过程能借助教学编程范式实现，用户可以扶住 UR 机械臂，手动引导机械臂，按所需的路径及移动方式运行机械臂一次，UR 机器人就能自动记住移动路径和方式。

机器人通过一套独特的、友好的图形用户界面操作，在触摸屏幕上，有一系列范围广泛的用途使客户选用。任何重复性的制造过程，都无法使用它并从中受益。 课堂认知 3.1 机器人运动轴与坐标系 3.1.1 机器人运动轴的名称 通常机器人运动轴按其用途能界定为机器人轴、基座轴和工装轴， 基座轴 和工装轴 统称外部轴。2 机器人系统中个运动轴的定义 典型机器人操作机各运动轴 A1 、 A2 和 A3 三轴（轴 1 、轴 2 和轴 3 ）称为基本轴或主轴， 用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。 A4 、 A5 和 A6 三轴（轴 4 、轴 5 和轴 6 ）称为腕部轴或次轴， 用以实现末端执行器的任意空间姿态。 3.1.2 机器人坐标系的类型 目前，大部分商用工业机器人系统中，均可使用关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系， 而软件坐标系和用户坐标系同属于直角坐标系范畴 。3 TCP 为机器人系统控制点，出厂是默认位于最后一个运动轴或安装法兰的中心，安装软件后 TCP 点将发生改变。 (1) 关节坐标系 在关节坐标系下，机器人各轴均可实现单独正向或逆向运动。对大范围运动，且不规定 TCP姿态的，可选择关节坐标系。

(2) 直角坐标系（世界坐标系、大地坐标系） 机器人示教与编程时就会使用的坐标系之一 ，原点定义在机器人安装面与第一转动轴的交点处， X 轴向前， Z 轴向下， Y 轴按右手定律确定。4 直角坐标系原点 直角坐标系下的各轴动作 (3) 工具坐标系 原点定义在 TCP 点，并且假设工具的有效方向为 X 轴（有些机器人厂商将软件的有效方向定义为 Z 轴），而 Y 轴、 Z 轴由右手法则确认。 在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时选用该坐标系最为适宜。5 工具坐标系原点 工具坐标系下的各轴动作 (4) 用户坐标系 可按照需要定义客户坐标系。 当机器人配备多个工作台时，选择用户坐标系可使操作更为简单 。在用户坐标系中， TCP 点将沿用户自定义的坐标轴方向运动。6 用户坐标系原点 用户坐标系下的各轴动作 提示 不同的机器人坐标系功能等同，即机器人在关节坐标系下完成的动作，同样能在直角坐标系下推动。 机器人在关节坐标系下的动作是单轴运动，而在直角坐标系下则是多轴联动。除关节坐标系以外，其他坐标系均可实现控制点不变动作（只改变工具姿态而不改变 TCP 位置）在进行机器人 TCP 标定时经常用到。

7 关节坐标系下的单轴运动直角坐标系下的多轴协调运动 3.2 认识和使用示教器 ABB FlexPendantKUKA smartPAD FANUC iPendantYASKAWA DX100 工业机器人行业四巨头的最新示教器产品 示教器主要由 显示屏 和各种操作 按键 组成，显示屏主要有 4 个显示区组成。 菜单显示区 显示操作屏主菜单和子菜单。 通用显示区 在通用显示区，可对作业程序、特性文件、各种设置进行显示跟编辑。 8 状态显示区 显示系统当前状况，如动作坐标系、机器人移动速率等。显示的信息按照控制柜的方式（示教或延续）不同而改变。 人机对话显示区 在机器人示教或手动运行过程中，显示功能按钮或者系统错误信息等。 示教器按钮设定主要包括【急停键】、【安全开关】、【坐标选择键】、【轴操作键】 /【 Jog 键】、【速度键】、【光标键】、【功能键】、【模式旋钮】等。 序号 按键名称 按键用途 1 急停键 通过切断伺服电源立刻中止机器人和内部轴操作。 一旦按下，开关保持紧急中止状态；顺时针方向转动解除紧急中止状态。 2 安全开关 在操作时确保操作者的安全。 只有安全开关被按至适中位置，伺服电源才能，机器人方可动作。

一旦松开或按紧，切断伺服电源，机器人立即停止运动。 3 坐标选取键 手动操作时，机器人的动作坐标选取键。 可在关节、直角、工具和用户等常用坐标系中选取。 此键每按一次，坐标系变化一次。 4 轴操作键 对机器人各轴进行操作的键。 只有按住轴操作键，机器人才能动作。 可以按住两个或更多的键，操作多个轴。 5 速度键 手动操作时，用这种键来微调机器人的运动速度。 6 光标键 使用这种键在键盘上按一定的方向移动鼠标。 7 功能键 使用这种键能按照屏幕显示执行指定的功能跟操作。 8 模式旋钮 选择机器人控制柜的方式（示教模式、再现 / 自动方式、远程 / 遥控方式） 3.3 机器人安全操作规程 3.3.1 示教跟自动机器人时 1 ）禁止用力摇晃机械臂及在机械臂上吊挂重物。 2 ）示教时请勿戴帽子。穿戴跟使用要求的工作服、安全鞋、安全帽、保护用具等 3 ）未经许可不能擅自开启机器人工作区域。调试人员转入机器人工作区域时， 需随身携带示教器，以防他人误操作。 4 ）示教前，需仔细核实示教器的安全保护装置是否还能正确工作，如【急停键】、【安全开关】等。 5 ）在自动操作机器人时应采取较低的倍率速度以提高对机器人的控制机会。

6 ）在按下示教器上的【轴操作键】之前应考虑到机器人的运动态势。 7 ）要预先考虑好避让机器人的运动轨迹，并确定该模式不受干涉。 8 ）在察觉到有危险时，立即按下【急停键】，停止机器人运转。 3.3.2 再现和制造运行时 1 ）机器人处于手动方式时，严禁进入机器人本体动作范围内。 2 ）在运行作业程序前，须了解机器人根据所编程序已经执行的全部任务。 9 3 ）使用由其它平台编制的作业程序时，要先跟踪一遍确认动作，之后再使用该程序。 4 ）须清楚所有会左右机器人移动的开关、传感器和控制信号的位置跟状态。 5 ）必须清楚机器人控制器和外围控制设施上的【急停键】的位置，准备在紧急状况下按下很多按钮。 6 ）永远不要认为机器人没有移动，其程序就已经完成，此时机器人很可能是在期待让它再次移动的输入信号。 3.4 手动移动机器人 3.4.1 移动模式 (1) 点动 点动机器人就是点按 / 微动【轴操作键】来移动机器人手臂的方法。每点按或微动【轴操作键】一次机器人移动一段距离。 点动机器人主要用在示教时距目标位置较近的场合。 点动机器人 (2) 连续移动 连续移动机器人则是长按 / 拨动【轴操作键】来移动机器人手臂的方法。

连续移动机器人主要用在示教时距目标位置较远的场合 。10 连续移动机器人 3.4.2 典型坐标系下的自动操作 ( 1 ) 关节坐标系 关键方法：系统上电开机 → A 工位机器人手动示教 → 选择关节坐标系 → 移机器人到B 工位 / 旋转回转机 → B 工位机器人手动示教。 工位 B B 双工位操作双工位 + 变位机操作 提示 机器人外部轴的运动控制，只能在关节坐标系下进行。 ( 2 ) 直角坐标系 关键方法：系统上电开机 → 选择关节坐标系 → 变换末端工具姿态到作业姿态 →选择直角坐标系 → 移动机器人至直线轨迹的开始点 → 选择直角坐标系的 Y 轴 → 移动机器人至直线轨迹的结束点。 工位 B 工位 A 工位 A11 机器人直线运动轨迹 ( 3 ) 工具坐标系 关键方法：→ 选择直角坐标系 → 移动机器人到作业轨迹的结束点 → 选择工具坐标系的 X 轴 → 移动机器人到一个安全位置。 末端工具规避动作 提示 若设置工具的有效方向为软件坐标系的 Z 轴，此时末端工具规避动作应选 Z 轴进行操作。

12 手动移动机器人运动，其基本操作步骤能归纳：示教前的打算跟自动移动机器人。需要切记的是，手动操作机器人移动时，机器人运动数据将不被保存。 手动移动机器人操作步骤 扩展与提升 机器人 TCP （工具中心点）标定 工具坐标系的准确度直接制约机器人的轨迹误差。默认软件坐标系的原点位于机器人安装法兰的中心，当接装不同的工具（如焊枪）时，工具需获取一个用户定义的直角坐标系。13 a) 未 TCP 标定b) TCP 标定 机器人工具坐标系的校准 目前，机器人工具坐标系的校准方式主要有 外部基准法 和 多点标定法 。 (1) 外部基准标定法 只应该让工具对准某一测定好的内部基准点，便能完成标定，标定过程快捷简便。但这类标定方法依赖于机器人外部基准。 (2) 多点标定法 这类测量包括工具中心点（ TCP ）位置多点测量和工具坐标系（TCF ）姿态多点标定。 TCP 位置标定是让几个标定点 TCP 位置重叠，从而计算出 TCP ，如四点法； TCF 姿态标定是让几个标定点之间带有特殊的方位关系，从而推算出工具坐标系相对于末端关节坐标系的姿态，如五点法、六点法。 TCP 六点法操作方法： 1 ）在机器人动作范围内找一个精确的固定点成为参考点。

2 ）在工具上确认一个参考点（最好是工具中心点 TCP ）。 3 ）移动工具参考点，以四种不同的工具姿态尽可能与固定点刚好碰上。 4 ）机器人控制柜通过前 4 个点的位置数据就能计算出 TCP 的位置，通过后 2 个点即可 确定 TCP 的姿态。 5 ）根据实际状况设置工具的品质跟重心位置数据。 a) 位置点1b) 位置点2c) 位置点 3 d) 位置点 4e) 位置点 5f) 位置点 6 TCP 标定过程 14 提示 TCP 标定操作要以次轴（腕部轴）为主。 在参考点附近应减少速率，以免相撞。 TCP 标定后，可借助在关节坐标系以外的坐标系中进行控制点不变动作检测测量效果。 如果使用搬运类的夹具，其 TCP 设定方式如下： 以搬运物料袋的夹紧爪为例机器人教案模板，其构架对称，重心在默认工具坐标系的 Z 方向偏差一定距离，可在设定页面直接手动键入偏移量数值、质量数据。 夹紧爪 TCP 标定 本章小结 通常能将机器人运动轴分为本体轴和内部轴两类。本体轴属于机器人本身，外部轴包含底座轴和工装轴。 目前在大部分商用工业机器人系统中，存在四类可以使用的坐标系：关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系。

其中，关节坐标系和直角坐标系在机器人手动操作跟作业示教中利用最多。 手动操纵工业机器人是借助自动操控示教仪上的机器人运动轴按键将机器人在某一或某几个坐标系下移动至某个位置的方式。一般采取点动和连续移动两种形式来推动。点动机器人主要用在距目标位置较近的场合，而连续移动机器人则用在距目标位置较远的场合。 思考训练 1、填空 (1) 一般来说，机器人运动轴按其用途能界定为 ______ 、 ______ 和工装轴， ________和工装轴统称 _______ 。 (2) 在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时选用 _______ 坐标系最 为适宜 (3) 当机器人到达距目标作业位置较近位置时，尽量选用 _______ 操作方式 完成准确定位。 2、选择 15 (1) 工业机器人常见的坐标系有（ ）。 ①关节坐标系；②直角坐标系；③工具坐标系；④用户坐标系 A. ①② B. ①②③ C. ①③④ D. ①②③④ (2) 示教器显示屏多为单色触摸显示屏，能够显示图像、数字、字母和符号， 并提供一系列图标来定义屏幕上的各类用途，可将屏幕显示区划分为（ ）。 ①菜单显示区；②通用显示区；③人机对话显示区；④状态显示区 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 3、判断 (1) 在直角坐标系下，机器人各轴能推动单独正向或逆向运动。

（ ） (2) 机器人在关节坐标系下完成的动作，无法在直角坐标系下实现。（ ） (3) 当机器人发生故障必须处于安全围栏进行维修时，需要在安全围栏外采用 安全监督人员进而在机器人异常运转时才会逐渐按下紧急中止按钮。（ ） (4) 示教时，为爱护示教器，最好戴上手套。（ ） (5) 手动操作移动机器人时，机器人运动数据将不被保存。（ ） 4、综合应用 使用示教器按右图图示路径（ A→B→C→D→E→F→A ）移动机器人，简述 其操作过程机器人教案模板，并填写表 3-6 （请在相应选项下打 “ √ ” ）。位置 移动模式 机器人坐标系 点动 连续移动 关节 直角 工具 A → B BB → C CC → D DD → E EE → F FF → A A手动移动机器人要领