工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用(教案)3-手動(dòng)操縱工業(yè)機(jī)器人

1、第三章 手動(dòng)操縱工業(yè)機(jī)器人3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系3.1.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的名稱3.1.2 機(jī)器人坐標(biāo)系的種類3.2 認(rèn)識(shí)和使用示教器學(xué)習(xí)目標(biāo) 導(dǎo)入案例 課堂認(rèn)知 擴(kuò)展與提高 本章小結(jié) 思考練習(xí)3.3 機(jī)器人安全操作規(guī)程3.3.1 示教和手動(dòng)機(jī)器人時(shí)3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)3.4 手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人3.4.1 移動(dòng)方式3.4.2 典型坐標(biāo)系下的手動(dòng)操作課前回顧工業(yè)機(jī)器人主要由哪幾部分組成？如何判別工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)？學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)知目標(biāo)*了解工業(yè)機(jī)器人的安全操作規(guī)程*熟悉示教器的按鍵及使用功能*掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系*掌握手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的流程和方法能力目標(biāo)*能夠熟練進(jìn)行機(jī)器人

2、坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)軸的選擇*能夠使用示教器熟練操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)移動(dòng)導(dǎo)入案例Universal Robots 公司推出革命性的新型工業(yè)機(jī)器人UR5 機(jī)器人自重很輕（僅 18.4 kg ），可以方便地在生產(chǎn)場(chǎng)地移動(dòng)，而且不需要繁瑣的安裝與設(shè)置就可以迅速地融入到生產(chǎn)線中，與員工交互合作。編程過(guò)程可通過(guò)教學(xué)編程模式實(shí)現(xiàn)，用戶可以扶住 UR 機(jī)械臂，手動(dòng)引導(dǎo)機(jī)械臂，按所需的路徑及移動(dòng)模式運(yùn)行機(jī)械臂一次，UR 機(jī)器人就能自動(dòng)記住移動(dòng)路徑和模式。機(jī)器人通過(guò)一套獨(dú)特的、友好的圖形用戶界面操作，在觸摸屏幕上，有一系列范圍廣泛的功能讓用戶選擇。任何重復(fù)性的生產(chǎn)過(guò)程，都能夠使用它并從中受益。課堂認(rèn)知3.1 機(jī)器人

3、運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系3.1.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的名稱通常機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸按其功能可劃分為機(jī)器人軸、基座軸和工裝軸， 基座軸 和工裝軸 統(tǒng)稱外部軸。 機(jī)器人系統(tǒng)中個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的定義典型機(jī)器人操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)軸A1 、 A2 和 A3 三軸（軸 1 、軸 2 和軸 3 ）稱為基本軸或主軸， 用以保證末端執(zhí)行器達(dá)到工作空間的任意位置。A4 、 A5 和 A6 三軸（軸 4 、軸 5 和軸 6 ）稱為腕部軸或次軸， 用以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的任意空間姿態(tài)。 3.1.2 機(jī)器人坐標(biāo)系的種類目前，大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，均可使用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系， 而工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系同屬于直角坐標(biāo)系范疇 。

4、TCP 為機(jī)器人系統(tǒng)控制點(diǎn)，出廠是默認(rèn)位于最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸或安裝法蘭的中心，安裝工具后 TCP 點(diǎn)將發(fā)生改變。(1) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸均可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)正向或反向運(yùn)動(dòng)。對(duì)大范圍運(yùn)動(dòng)，且不要求 TCP姿態(tài)的，可選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。 (2) 直角坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系）機(jī)器人示教與編程時(shí)經(jīng)常使用的坐標(biāo)系之一 ，原點(diǎn)定義在機(jī)器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸的交點(diǎn)處， X 軸向前， Z 軸向上， Y 軸按右手法則確定。 直角坐標(biāo)系原點(diǎn)直角坐標(biāo)系下的各軸動(dòng)作 (3) 工具坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在 TCP 點(diǎn)，并且假定工具的有效方向?yàn)?X 軸（有些機(jī)器人廠商將工具的有效方向定義為 Z 軸），而 Y 軸、 Z

5、 軸由右手法則確定。 在進(jìn)行相對(duì)于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時(shí)選用該坐標(biāo)系最為適宜。 工具坐標(biāo)系原點(diǎn)工具坐標(biāo)系下的各軸動(dòng)作(4) 用戶坐標(biāo)系可根據(jù)需要定義用戶坐標(biāo)系。 當(dāng)機(jī)器人配備多個(gè)工作臺(tái)時(shí)，選擇用戶坐標(biāo)系可使操作更為簡(jiǎn)單 。在用戶坐標(biāo)系中， TCP 點(diǎn)將沿用戶自定義的坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)。 用戶坐標(biāo)系原點(diǎn)用戶坐標(biāo)系下的各軸動(dòng)作提示不同的機(jī)器人坐標(biāo)系功能等同，即機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動(dòng)作，同樣可在直角坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的動(dòng)作是單軸運(yùn)動(dòng)，而在直角坐標(biāo)系下則是多軸聯(lián)動(dòng)。除關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外，其他坐標(biāo)系均可實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)不變動(dòng)作（只改變工具姿態(tài)而不改變 TCP 位置）在進(jìn)行機(jī)器人 TCP

6、標(biāo)定時(shí)經(jīng)常用到。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的單軸運(yùn)動(dòng) 直角坐標(biāo)系下的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)3.2 認(rèn)識(shí)和使用示教器 ABB FlexPendant KUKA smartPADFANUC iPendant YASKAWA DX100 工業(yè)機(jī)器人行業(yè)四巨頭的最新示教器產(chǎn)品示教器主要由 顯示屏 和各種操作 按鍵 組成，顯示屏主要有 4 個(gè)顯示區(qū)組成。 菜單顯示區(qū) 顯示操作屏主菜單和子菜單。通用顯示區(qū) 在通用顯示區(qū)，可對(duì)作業(yè)程序、特性文件、各種設(shè)定進(jìn)行顯示和編輯。狀態(tài)顯示區(qū) 顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如動(dòng)作坐標(biāo)系、機(jī)器人移動(dòng)速度等。顯示的信息根據(jù)控制柜的模式（示教或再現(xiàn)）不同而改變。人機(jī)對(duì)話顯示區(qū) 在機(jī)器人示教或自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，顯

7、示功能圖標(biāo)以及系統(tǒng)錯(cuò)誤信息等。示教器按鍵設(shè)置主要包括【急停鍵】、【安全開(kāi)關(guān)】、【坐標(biāo)選擇鍵】、【軸操作鍵】 /【 Jog 鍵】、【速度鍵】、【光標(biāo)鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】等。 序號(hào)按鍵名稱按鍵功能1急停鍵通過(guò)切斷伺服電源立刻停止機(jī)器人和外部軸操作。一旦按下，開(kāi)關(guān)保持緊急停止?fàn)顟B(tài)；順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)解除緊急停止?fàn)顟B(tài)。2安全開(kāi)關(guān)在操作時(shí)確保操作者的安全。只有安全開(kāi)關(guān)被按到適中位置，伺服電源才能，機(jī)器人方可動(dòng)作。一旦松開(kāi)或按緊，切斷伺服電源，機(jī)器人立即停止運(yùn)動(dòng)。3坐標(biāo)選擇鍵手動(dòng)操作時(shí)，機(jī)器人的動(dòng)作坐標(biāo)選擇鍵?？稍陉P(guān)節(jié)、直角、工具和用戶等常見(jiàn)坐標(biāo)系中選擇。此鍵每按一次，坐標(biāo)系變化一次。4軸操作鍵對(duì)機(jī)

8、器人各軸進(jìn)行操作的鍵。只有按住軸操作鍵，機(jī)器人才可動(dòng)作?？梢园醋蓚€(gè)或更多的鍵，操作多個(gè)軸。5速度鍵手動(dòng)操作時(shí)，用這些鍵來(lái)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。6光標(biāo)鍵使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動(dòng)光標(biāo)。7功能鍵使用這些鍵可根據(jù)屏幕顯示執(zhí)行指定的功能和操作。8模式旋鈕選擇機(jī)器人控制柜的模式（示教模式、再現(xiàn) / 自動(dòng)模式、遠(yuǎn)程 / 遙控模式）3.3 機(jī)器人安全操作規(guī)程3.3.1 示教和手動(dòng)機(jī)器人時(shí)1 ）禁止用力搖晃機(jī)械臂及在機(jī)械臂上懸掛重物。2 ）示教時(shí)請(qǐng)勿戴手套。穿戴和使用規(guī)定的工作服、安全鞋、安全帽、保護(hù)用具等3 ）未經(jīng)許可不能擅自進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。調(diào)試人員進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域時(shí)， 需隨身攜帶示教器，以

9、防他人誤操作。4 ）示教前，需仔細(xì)確認(rèn)示教器的安全保護(hù)裝置是否能夠正確工作，如【急停鍵】、【安全開(kāi)關(guān)】等。5 ）在手動(dòng)操作機(jī)器人時(shí)要采用較低的倍率速度以增加對(duì)機(jī)器人的控制機(jī)會(huì)。6 ）在按下示教器上的【軸操作鍵】之前要考慮到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。7 ）要預(yù)先考慮好避讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并確認(rèn)該路徑不受干涉。8 ）在察覺(jué)到有危險(xiǎn)時(shí)，立即按下【急停鍵】，停止機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)。3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)1 ）機(jī)器人處于自動(dòng)模式時(shí)，嚴(yán)禁進(jìn)入機(jī)器人本體動(dòng)作范圍內(nèi)。2 ）在運(yùn)行作業(yè)程序前，須知道機(jī)器人根據(jù)所編程序?qū)⒁獔?zhí)行的全部任務(wù)。3 ）使用由其他系統(tǒng)編制的作業(yè)程序時(shí)，要先跟蹤一遍確認(rèn)動(dòng)作，之后再使用該程序。4 ）

10、須知道所有會(huì)左右機(jī)器人移動(dòng)的開(kāi)關(guān)、傳感器和控制信號(hào)的位置和狀態(tài)。5 ）必須知道機(jī)器人控制器和外圍控制設(shè)備上的【急停鍵】的位置，準(zhǔn)備在緊急情況下按下這些按鈕。6 ）永遠(yuǎn)不要認(rèn)為機(jī)器人沒(méi)有移動(dòng)，其程序就已經(jīng)完成，此時(shí)機(jī)器人很可能是在等待讓它繼續(xù)移動(dòng)的輸入信號(hào)。3.4 手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人3.4.1 移動(dòng)方式(1) 點(diǎn)動(dòng)點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人就是點(diǎn)按 / 微動(dòng)【軸操作鍵】來(lái)移動(dòng)機(jī)器人手臂的方式。每點(diǎn)按或微動(dòng)【軸操作鍵】一次機(jī)器人移動(dòng)一段距離。 點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人主要用在示教時(shí)離目標(biāo)位置較近的場(chǎng)合。 點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人(2) 連續(xù)移動(dòng)連續(xù)移動(dòng)機(jī)器人則是長(zhǎng)按 / 撥動(dòng)【軸操作鍵】來(lái)移動(dòng)機(jī)器人手臂的方式。 連續(xù)移動(dòng)機(jī)器人主要用在示教時(shí)離目

11、標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場(chǎng)合 。 連續(xù)移動(dòng)機(jī)器人3.4.2 典型坐標(biāo)系下的手動(dòng)操作( 1 ) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī) A 工位機(jī)器人手動(dòng)示教 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 移機(jī)器人到B 工位 / 旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)機(jī) B 工位機(jī)器人手動(dòng)示教。工位 A 工位 A 工位 B 工位 A 工位 B雙工位操作 雙工位 + 變位機(jī)操作提示 機(jī)器人外部軸的運(yùn)動(dòng)控制，只能在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下進(jìn)行。( 2 ) 直角坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī) 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 變換末端工具姿態(tài)至作業(yè)姿態(tài) 選擇直角坐標(biāo)系 移動(dòng)機(jī)器人至直線軌跡的開(kāi)始點(diǎn) 選擇直角坐標(biāo)系的 Y 軸 移動(dòng)機(jī)器人至直線軌跡的結(jié)束點(diǎn)。 機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)軌跡( 3 ) 工具坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟： 選

12、擇直角坐標(biāo)系 移動(dòng)機(jī)器人到作業(yè)軌跡的結(jié)束點(diǎn) 選擇工具坐標(biāo)系的 X 軸 移動(dòng)機(jī)器人到一個(gè)安全位置。 末端工具規(guī)避動(dòng)作提示 若設(shè)定工具的有效方向?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)系的 Z 軸，此時(shí)末端工具規(guī)避動(dòng)作應(yīng)選 Z 軸進(jìn)行操作。手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，其基本操作流程可歸納：示教前的準(zhǔn)備和手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人。需要注意的是，手動(dòng)操作機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)將不被保存。 手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人操作流程擴(kuò)展與提高機(jī)器人 TCP （工具中心點(diǎn)）標(biāo)定工具坐標(biāo)系的準(zhǔn)確度直接影響機(jī)器人的軌跡精度。默認(rèn)工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于機(jī)器人安裝法蘭的中心，當(dāng)接裝不同的工具（如焊槍）時(shí)，工具需獲得一個(gè)用戶定義的直角坐標(biāo)系。 a) 未 TCP 標(biāo)定 b) TC

13、P 標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定 目前，機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法主要有 外部基準(zhǔn)法 和 多點(diǎn)標(biāo)定法 。(1) 外部基準(zhǔn)標(biāo)定法 只需要使工具對(duì)準(zhǔn)某一測(cè)定好的外部基準(zhǔn)點(diǎn)，便可完成標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程快捷簡(jiǎn)便。但這類標(biāo)定方法依賴于機(jī)器人外部基準(zhǔn)。(2) 多點(diǎn)標(biāo)定法 這類標(biāo)定包含工具中心點(diǎn)（ TCP ）位置多點(diǎn)標(biāo)定和工具坐標(biāo)系（TCF ）姿態(tài)多點(diǎn)標(biāo)定。 TCP 位置標(biāo)定是使幾個(gè)標(biāo)定點(diǎn) TCP 位置重合，從而計(jì)算出 TCP ，如四點(diǎn)法； TCF 姿態(tài)標(biāo)定是使幾個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間具有特殊的方位關(guān)系，從而計(jì)算出工具坐標(biāo)系相對(duì)于末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的姿態(tài)，如五點(diǎn)法、六點(diǎn)法。TCP 六點(diǎn)法操作步驟：1 ）在機(jī)器人動(dòng)作范圍內(nèi)找一個(gè)

14、精確的固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)。2 ）在工具上確定一個(gè)參考點(diǎn)（最好是工具中心點(diǎn) TCP ）。3 ）移動(dòng)工具參考點(diǎn)，以四種不同的工具姿態(tài)盡可能與固定點(diǎn)剛好碰上。4 ）機(jī)器人控制柜通過(guò)前 4 個(gè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)即可計(jì)算出 TCP 的位置，通過(guò)后 2 個(gè)點(diǎn)即可確定 TCP 的姿態(tài)。5 ）根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定工具的質(zhì)量和重心位置數(shù)據(jù)。 a) 位置點(diǎn)1 b) 位置點(diǎn)2 c) 位置點(diǎn) 3d) 位置點(diǎn) 4 e) 位置點(diǎn) 5 f) 位置點(diǎn) 6TCP 標(biāo)定過(guò)程提示 TCP 標(biāo)定操作要以次軸（腕部軸）為主。 在參考點(diǎn)附近要降低速度，以免相撞。TCP 標(biāo)定后，可通過(guò)在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外的坐標(biāo)系中進(jìn)行控制點(diǎn)不變動(dòng)作檢驗(yàn)標(biāo)定效果。如果使用

15、搬運(yùn)類的夾具，其 TCP 設(shè)定方法如下：以搬運(yùn)物料袋的夾緊爪為例，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，重心在默認(rèn)工具坐標(biāo)系的 Z 方向偏移一定距離，可在設(shè)置頁(yè)面直接手動(dòng)輸入偏移量數(shù)值、質(zhì)量數(shù)據(jù)。 夾緊爪 TCP 標(biāo)定本章小結(jié)通?？蓪C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸分為本體軸和外部軸兩類。本體軸屬于機(jī)器人本身，外部軸包括基座軸和工裝軸。目前在大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，存在四類可以使用的坐標(biāo)系：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系。其中，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系在機(jī)器人手動(dòng)操作和作業(yè)示教中運(yùn)用最多。手動(dòng)操縱工業(yè)機(jī)器人是通過(guò)手動(dòng)操控示教器上的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸按鍵將機(jī)器人在某一或某幾個(gè)坐標(biāo)系下移動(dòng)到某個(gè)位置的方法。一般采用點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)移動(dòng)兩

16、種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人主要用在離目標(biāo)位置較近的場(chǎng)合，而連續(xù)移動(dòng)機(jī)器人則用在離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。思考練習(xí) 1、填空(1) 一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸按其功能可劃分為 _ 、 _ 和工裝軸，_和工裝軸統(tǒng)稱 _ 。(2) 在進(jìn)行相對(duì)于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時(shí)選用 _ 坐標(biāo)系最為適宜(3) 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)離目標(biāo)作業(yè)位置較近位置時(shí)，盡量采用 _ 操作模式完成精確定位。2、選擇(1) 工業(yè)機(jī)器人常見(jiàn)的坐標(biāo)系有（ ）。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；直角坐標(biāo)系；工具坐標(biāo)系；用戶坐標(biāo)系A(chǔ). B. C. D. (2) 示教器顯示屏多為彩色觸摸顯示屏，能夠顯示圖像、數(shù)字、字母和符號(hào)，并提供一系列圖標(biāo)來(lái)定義屏幕上的各種功能，可將屏幕顯示區(qū)劃分為（ ）。菜單顯示區(qū)；通用顯示區(qū)；人機(jī)對(duì)話顯示區(qū)；狀態(tài)顯示區(qū)A. B. C. D. 3、判斷(1) 在直角坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)正向或反向運(yùn)動(dòng)。（ ）(2) 機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動(dòng)作，無(wú)法在直