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第三章 手動操縱工業(yè)機器人 3.1 機器人運動軸與坐標系 3.1.1 機器人運動軸的名稱 3.1.2 機器人坐標系的種類 3.2 認識和使用示教器 學習目標 導入案例 課堂認知 擴展與提高 本章小結(jié) 思考練習 3.3 機器人安全操作規(guī)程 3.3.1 示教和手動機器人時 3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 課前回顧 工業(yè)機器人主要由哪幾部分組成？ 如何判別工業(yè)機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動？ 學習目標 認知目標 *了解工業(yè)機器人的安全操作規(guī)程 *熟悉示教器的按鍵及使用功能 *掌握機器人運動軸與坐標系 *掌握手動移動機器人的流程和方法 能力目標 *能夠熟練進行機器人坐標系和運動軸的選擇 *能夠使用示教器熟練操作機器人實現(xiàn)點動和連續(xù)移動 導入案例 Universal Robots 公司推出革命性的新型工業(yè)機器人 UR5 機器人自重很輕（僅 18.4 kg ），可以方便地在生產(chǎn)場地移動，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。編程過程可通過教學編程模式實現(xiàn)，用戶可以扶住 UR 機械臂，手動引導機械臂，按所需的路徑及移動模式運行機械臂一次，UR 機器人就能自動記住移動路徑和模式。機器人通過一套獨特的、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。任何重復性的生產(chǎn)過程，都能夠使用它并從中受益。 課堂認知 3.1 機器人運動軸與坐標系 3.1.1 機器人運動軸的名稱 通常機器人運動軸按其功能可劃分為機器人軸、基座軸和工裝軸， 基座軸 和工裝軸 統(tǒng)稱外部軸。 機器人系統(tǒng)中個運動軸的定義 典型機器人操作機各運動軸 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， 用以實現(xiàn)末端執(zhí)行器的任意空間姿態(tài)。 3.1.2 機器人坐標系的種類 目前，大部分商用工業(yè)機器人系統(tǒng)中，均可使用關(guān)節(jié)坐標系、直角坐標系、工具坐標系和用戶坐標系， 而工具坐標系和用戶坐標系同屬于直角坐標系范疇 。 TCP 為機器人系統(tǒng)控制點，出廠是默認位于最后一個運動軸或安裝法蘭的中心，安裝工具后 TCP 點將發(fā)生改變。 (1) 關(guān)節(jié)坐標系 在關(guān)節(jié)坐標系下，機器人各軸均可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。對大范圍運動，且不要求 TCP姿態(tài)的，可選擇關(guān)節(jié)坐標系。 (2) 直角坐標系（世界坐標系、大地坐標系） 機器人示教與編程時經(jīng)常使用的坐標系之一 ，原點定義在機器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動軸的交點處， X 軸向前， Z 軸向上， Y 軸按右手法則確定。 直角坐標系原點 直角坐標系下的各軸動作 (3) 工具坐標系 原點定義在 TCP 點，并且假定工具的有效方向為 X 軸（有些機器人廠商將工具的有效方向定義為 Z 軸），而 Y 軸、 Z 軸由右手法則確定。 在進行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用該坐標系最為適宜。 工具坐標系原點 工具坐標系下的各軸動作 (4) 用戶坐標系 可根據(jù)需要定義用戶坐標系。 當機器人配備多個工作臺時，選擇用戶坐標系可使操作更為簡單 。在用戶坐標系中， TCP 點將沿用戶自定義的坐標軸方向運動。 用戶坐標系原點 用戶坐標系下的各軸動作 提示 不同的機器人坐標系功能等同，即機器人在關(guān)節(jié)坐標系下完成的動作，同樣可在直角坐標系下實現(xiàn)。 機器人在關(guān)節(jié)坐標系下的動作是單軸運動，而在直角坐標系下則是多軸聯(lián)動。除關(guān)節(jié)坐標系以外，其他坐標系均可實現(xiàn)控制點不變動作（只改變工具姿態(tài)而不改變 TCP 位置）在進行機器人 TCP 標定時經(jīng)常用到。 關(guān)節(jié)坐標系下的單軸運動 直角坐標系下的多軸協(xié)調(diào)運動 3.2 認識和使用示教器 ABB FlexPendant KUKA smartPAD FANUC iPendant YASKAWA DX100 工業(yè)機器人行業(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)，可對作業(yè)程序、特性文件、各種設(shè)定進行顯示和編輯。 狀態(tài)顯示區(qū) 顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)，如動作坐標系、機器人移動速度等。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。 人機對話顯示區(qū) 在機器人示教或自動運行過程中，顯示功能圖標以及系統(tǒng)錯誤信息等。 示教器按鍵設(shè)置主要包括【急停鍵】、【安全開關(guān)】、【坐標選擇鍵】、【軸操作鍵】 /【 Jog 鍵】、【速度鍵】、【光標鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】等。 序號 按鍵名稱 按鍵功能 1 急停鍵 通過切斷伺服電源立刻停止機器人和外部軸操作。 一旦按下，開關(guān)保持緊急停止狀態(tài)；順時針方向旋轉(zhuǎn)解除緊急停止狀態(tài)。 2 安全開關(guān) 在操作時確保操作者的安全。 只有安全開關(guān)被按到適中位置，伺服電源才能，機器人方可動作。 一旦松開或按緊，切斷伺服電源，機器人立即停止運動。 3 坐標選擇鍵 手動操作時，機器人的動作坐標選擇鍵。 可在關(guān)節(jié)、直角、工具和用戶等常見坐標系中選擇。 此鍵每按一次，坐標系變化一次。 4 軸操作鍵 對機器人各軸進行操作的鍵。 只有按住軸操作鍵，機器人才可動作。 可以按住兩個或更多的鍵，操作多個軸。 5 速度鍵 手動操作時，用這些鍵來調(diào)整機器人的運動速度。 6 光標鍵 使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動光標。 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 選擇機器人控制柜的模式（示教模式、再現(xiàn) / 自動模式、遠程 / 遙控模式） 3.3 機器人安全操作規(guī)程 3.3.1 示教和手動機器人時 1 ）禁止用力搖晃機械臂及在機械臂上懸掛重物。 2 ）示教時請勿戴手套。穿戴和使用規(guī)定的工作服、安全鞋、安全帽、保護用具等 3 ）未經(jīng)許可不能擅自進入機器人工作區(qū)域。調(diào)試人員進入機器人工作區(qū)域時， 需隨身攜帶示教器，以防他人誤操作。 4 ）示教前，需仔細確認示教器的安全保護裝置是否能夠正確工作，如【急停鍵】、【安全開關(guān)】等。 5 ）在手動操作機器人時要采用較低的倍率速度以增加對機器人的控制機會。 6 ）在按下示教器上的【軸操作鍵】之前要考慮到機器人的運動趨勢。 7 ）要預先考慮好避讓機器人的運動軌跡，并確認該路徑不受干涉。 8 ）在察覺到有危險時，立即按下【急停鍵】，停止機器人運轉(zhuǎn)。 3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時 1 ）機器人處于自動模式時，嚴禁進入機器人本體動作范圍內(nèi)。 2 ）在運行作業(yè)程序前，須知道機器人根據(jù)所編程序?qū)⒁獔?zhí)行的全部任務。 3 ）使用由其他系統(tǒng)編制的作業(yè)程序時，要先跟蹤一遍確認動作，之后再使用該程序。 4 ）須知道所有會左右機器人移動的開關(guān)、傳感器和控制信號的位置和狀態(tài)。 5 ）必須知道機器人控制器和外圍控制設(shè)備上的【急停鍵】的位置，準備在緊急情況下按下這些按鈕。 6 ）永遠不要認為機器人沒有移動，其程序就已經(jīng)完成，此時機器人很可能是在等待讓它繼續(xù)移動的輸入信號。 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 (1) 點動 點動機器人就是點按 / 微動【軸操作鍵】來移動機器人手臂的方式。每點按或微動【軸操作鍵】一次機器人移動一段距離。 點動機器人主要用在示教時離目標位置較近的場合。 點動機器人 (2) 連續(xù)移動 連續(xù)移動機器人則是長按 / 撥動【軸操作鍵】來移動機器人手臂的方式。 連續(xù)移動機器人主要用在示教時離目標位置較遠的場合 。 連續(xù)移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 ( 1 ) 關(guān)節(jié)坐標系 關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機 → A 工位機器人手動示教 → 選擇關(guān)節(jié)坐標系 → 移機器人到B 工位 / 旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)機 → B 工位機器人手動示教。 工位 A 工位 A 工位 B 工位 A 工位 B 雙工位操作 雙工位 + 變位機操作 提示 機器人外部軸的運動控制，只能在關(guān)節(jié)坐標系下進行。 ( 2 ) 直角坐標系 關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機 → 選擇關(guān)節(jié)坐標系 → 變換末端工具姿態(tài)至作業(yè)姿態(tài) →選擇直角坐標系 → 移動機器人至直線軌跡的開始點 → 選擇直角坐標系的 Y 軸 → 移動機器人至直線軌跡的結(jié)束點。 機器人直線運動軌跡 ( 3 ) 工具坐標系 關(guān)鍵步驟：……→ 選擇直角坐標系 → 移動機器人到作業(yè)軌跡的結(jié)束點 → 選擇工具坐標系的 X 軸 → 移動機器人到一個安全位置。 末端工具規(guī)避動作 提示 若設(shè)定工具的有效方向為工具坐標系的 Z 軸，此時末端工具規(guī)避動作應選 Z 軸進行操作。 手動移動機器人運動，其基本操作流程可歸納：示教前的準備和手動移動機器人。需要注意的是，手動操作機器人移動時，機器人運動數(shù)據(jù)將不被保存。 手動移動機器人操作流程 擴展與提高 機器人 TCP （工具中心點）標定 工具坐標系的準確度直接影響機器人的軌跡精度。默認工具坐標系的原點位于機器人安裝法蘭的中心，當接裝不同的工具（如焊槍）時，工具需獲得一個用戶定義的直角坐標系。 a) 未 TCP 標定 b) TCP 標定 機器人工具坐標系的標定 目前，機器人工具坐標系的標定方法主要有 外部基準法 和 多點標定法 。 (1) 外部基準標定法 只需要使工具對準某一測定好的外部基準點，便可完成標定，標定過程快捷簡便。但這類標定方法依賴于機器人外部基準。 (2) 多點標定法 這類標定包含工具中心點（ TCP ）位置多點標定和工具坐標系（TCF ）姿態(tài)多點標定。 TCP 位置標定是使幾個標定點 TCP 位置重合，從而計算出 TCP ，如四點法； TCF 姿態(tài)標定是使幾個標定點之間具有特殊的方位關(guān)系，從而計算出工具坐標系相對于末端關(guān)節(jié)坐標系的姿態(tài)，如五點法、六點法。 TCP 六點法操作步驟： 1 ）在機器人動作范圍內(nèi)找一個精確的固定點作為參考點。 2 ）在工具上確定一個參考點（最好是工具中心點 TCP ）。 3 ）移動工具參考點，以四種不同的工具姿態(tài)盡可能與固定點剛好碰上。 4 ）機器人控制柜通過前 4 個點的位置數(shù)據(jù)即可計算出 TCP 的位置，通過后 2 個點即可 確定 TCP 的姿態(tài)。 5 ）根據(jù)實際情況設(shè)定工具的質(zhì)量和重心位置數(shù)據(jù)。 a) 位置點1 b) 位置點2 c) 位置點 3 d) 位置點 4 e) 位置點 5 f) 位置點 6 TCP 標定過程 提示 TCP 標定操作要以次軸（腕部軸）為主。 在參考點附近要降低速度，以免相撞。 TCP 標定后，可通過在關(guān)節(jié)坐標系以外的坐標系中進行控制點不變動作檢驗標定效果。 如果使用搬運類的夾具，其 TCP 設(shè)定方法如下： 以搬運物料袋的夾緊爪為例，其結(jié)構(gòu)對稱，重心在默認工具坐標系的 Z 方向偏移一定距離，可在設(shè)置頁面直接手動輸入偏移量數(shù)值、質(zhì)量數(shù)據(jù)。 夾緊爪 TCP 標定 本章小結(jié) 通?？蓪C器人運動軸分為本體軸和外部軸兩類。本體軸屬于機器人本身，外部軸包括基座軸和工裝軸。 目前在大部分商用工業(yè)機器人系統(tǒng)中，存在四類可以使用的坐標系：關(guān)節(jié)坐標系、直角坐標系、工具坐標系和用戶坐標系。其中，關(guān)節(jié)坐標系和直角坐標系在機器人手動操作和作業(yè)示教中運用最多。 手動操縱工業(yè)機器人是通過手動操控示教器上的機器人運動軸按鍵將機器人在某一或某幾個坐標系下移動到某個位置的方法。一般采用點動和連續(xù)移動兩種方式來實現(xiàn)。點動機器人主要用在離目標位置較近的場合，而連續(xù)移動機器人則用在離目標位置較遠的場合。 思考練習 1、填空 (1) 一般來說，機器人運動軸按其功能可劃分為 ______ 、 ______ 和工裝軸， ________和工裝軸統(tǒng)稱 _______ 。 (2) 在進行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用 _______ 坐標系最 為適宜 (3) 當機器人到達離目標作業(yè)位置較近位置時，盡量采用 _______ 操作模式 完成精確定位。 2、選擇 (1) 工業(yè)機器人常見的坐標系有（ ）。 ①關(guān)節(jié)坐標系；②直角坐標系；③工具坐標系；④用戶坐標系 A. ①② B. ①②③ C. ①③④ D. ①②③④ (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， 并提供一系列圖標來定義屏幕上的各種功能，可將屏幕顯示區(qū)劃分為（ ）。 ①菜單顯示區(qū)；②通用顯示區(qū)；③人機對話顯示區(qū)；④狀態(tài)顯示區(qū) A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 3、判斷 (1) 在直角坐標系下，機器人各軸可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。（ ） (2) 機器人在關(guān)節(jié)坐標系下完成的動作，無法在直角坐標系下實現(xiàn)。（ ） (3) 當機器人發(fā)生故障需要進入安全圍欄進行維修時，需要在安全圍欄外配備 安全監(jiān)督人員以便在機器人異常運轉(zhuǎn)時能夠迅速按下緊急停止按鈕。（ ） (4) 示教時，為愛護示教器，最好戴上手套。（ ） (5) 手動操作移動機器人時，機器人運動數(shù)據(jù)將不被保存。（ ） 4、綜合應用 使用示教器按下圖所示路徑（ A→B→C→D→E→F→A ）移動機器人，簡述 其操作過程，并填寫表 3-6 （請在相應選項下打 “ √ ” ）。 位置 移動方式 機器人坐標系 點動 連續(xù)移動 關(guān)節(jié) 直角 工具 A → B B → C C → D D → E E → F F → A 手動移動機器人要領(lǐng) 15