1、工業機器人技術及應用 手動操縱工業機器人 主 編：蘭 虎 課前回顧 所 處 位 置 工業機器人的主要技術指標有哪些？工業機器人的點位運動和連續路徑運動？【 課 前 回 顧 】 章節目錄 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 思考練習 學習目標 導入案例 擴展與提高 課堂認知 3.3 機器人安全操作規程 3.3.1 示教和手動機器人時 3.3.2 再現和生產運行時 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 返回 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 目錄 本章小結 學習目標 所 處 位 置 能夠熟練進行機器人坐標

2、系和運動軸的選擇 【 學 習 目 標 掌握機器人運動軸與坐標系 】 返回 目錄 認知目標認知目標能力目標能力目標導入案例 所 處 universal robots 公司推出革命性的新型工業機器人 位 置 ur5 機器人自重很輕（僅 18.4 kg ），可以方便地在生產場地移動，而且不需要繁瑣的安裝與設置就可以迅速地融入到生產線中，與員工交互合作。編程過程可通過教學編程模式實現，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

3、何重復性的生產過程，都能夠使用它并從中受益。 【 導 入 案 例 】 3.1 機器人運動軸與坐標系 3.1.1 機器人運動軸的名稱 所 處 位 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 統稱 外部軸 。 置 【 機器人操作機（本體）的軸，屬 課 機器人軸 機器人操作機（本機）的軸，屬于機器人本身。 堂 認 知 】 基座軸 工裝軸 機器人整體移動的軸，如行走軸（滑移平臺或導軌）。 機器人軸和基座軸以外的軸，指使工裝夾具翻轉和回轉的軸機器人系統中各個運動軸的定義 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 ab

4、b 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 3.1 機器人運動軸與坐標系 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 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， 用以實現末端執行器的任意空間姿態。 3.1.2 機器人坐標系的種類 所 目前，大部分商用工業機器人系統中，均可使用關節坐標系、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 。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 關節坐標系 機器

5、人坐 工具坐標系 標系種類 直角坐標系 用戶坐標系 tcp 為機器人系統控制點，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 點將發生改變。 所 (1) 關節坐標系 在關節坐標系下，機器人各軸均可實現單獨正向或反向運動。對大范圍運動，且不要求 tcp 姿態的，可選擇關節坐標系。 處 位 置 軸名稱 軸類型 動作說明 動作圖示 abb fanuc yaskawa kuka 【 本體 課 軸 1 s 軸 j1 a1 左右回轉 堂 認 知 主軸 （基本軸） 大臂 軸 2 l 軸 j2 a2 】 上下運動 小臂 軸 3 u 軸 j3 a3 前后運動 手腕 軸 4 r 軸 j4 a4

6、 回旋運動 次軸 手腕 軸 5 b 軸 j5 a5 上下擺運動 （腕部軸） 手腕 軸 6 t 軸 j6 a6 圓周運動 所 (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常使用的坐標系之一的坐標系之一 ，原點定義，原點定義在機器人安裝面與第一轉動軸的交點處，在機器人安裝面與第一轉動軸的交點處， x 軸向前，軸向前， z軸向上， y 軸按右手法則確定。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 z x y 直角坐標系原點 所 直角坐標系下的各軸動作 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 軸軸 動作動作 軸軸 動作動作 軸類型軸類型 動作圖示動作圖示 軸類型軸類型 動作圖示動作圖示 名

7、稱名稱 說明說明 名稱名稱 說明說明 沿沿 x x 軸平軸平 x x 軸軸 u u 軸軸 繞繞 z z 軸軸 旋轉旋轉 行移動行移動 主軸主軸 次軸次軸 沿沿 y y 軸平軸平 y y 軸軸 v v 軸軸 繞繞 y y 軸軸 旋轉旋轉 （基本軸（基本軸 ）（腕部（腕部 行移動行移動 軸）軸） 繞末端工繞末端工 沿沿 z z 軸平軸平 行移動行移動 z z 軸軸 w w 軸軸 具所指方具所指方 向旋轉向旋轉 z x y 沿沿 x x 軸平行移動軸平行移動 z x y 沿沿 y y 軸平行移動軸平行移動 所 (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

8、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的平移操作時選用該坐標系最為適宜。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 y x z 工具坐標系原點 工具坐標系下的各軸動作 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 軸 動作 軸 動作 軸類型 動作圖示 軸類型 動作圖示 名稱 說明 名稱 說明 沿 x 軸平 x 軸 rx 軸 繞 x 軸 旋轉 行移動 主軸 次軸 沿 y 軸平 y 軸 ry 軸 繞 y 軸 旋轉 （基本軸） （腕部軸） 行移動 沿 z 軸平z 軸 rz 軸 繞 z 軸 旋轉 行移動 z y x 所 處 (4) 用戶坐標系 可根

9、據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。 位 置 【 課 堂 認 知 】 用戶坐標系原點 用戶坐標系下的各軸動作 軸 動作 軸 動作 軸類型 動作圖示 軸類型 動作圖示 名稱 說明 名稱 說明 沿 x 軸平 x 軸 rx 軸 繞 x 軸 旋轉 行移動 主軸 次軸 沿 y 軸平 y 軸 ry 軸 繞 y 軸 旋轉 （基本軸） （腕部軸） 行移動 沿 z 軸平z 軸 rz 軸 繞 z 軸 旋轉 行移動 3.1 機器人運動軸與坐標系 不同的機器人坐標系功能等同，即機器人在關節坐標系下完成的動作，同

10、樣可在直角坐標系下實現。 所 處 位 提示 機器人在關節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動。除關節坐標系以外，其他坐標系均可實現控制點不變動作（只改變工具姿態而不改變 tcp 位置）在進行機器人 tcp 標定時經常用到。 置 【 課 堂 認 知 】 動作前 動作后 關節坐標系下的單軸運動 直角坐標系下的多軸協調運動 動作后 動作中 動作前 動作中 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸

11、 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸 3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 a5 軸軸 5 a4 軸軸 4 a6 a3 軸軸

12、3 軸軸 6 a2 軸軸 2 a1 軸軸 1 abb 機器人 kuka 機器人 典型機器人操作機各運動軸 3.2 認識和使用示教器 所 處 位 置 【 課 堂 kuka smartpad abb flexpendant 認 知 】 yaskawa dx100 fanuc ipendant 返回 目錄 工業機器人行業四巨頭的最新示教器產品 16/34 3.2 認識和使用示教器 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 個顯示區組成。 所 處 位 置 菜單顯示區 顯示操作屏主菜單和子菜單。 通用顯示區 在通用顯示區，可對作業程序、特性文件、各種設定進行顯 【 課 示和編輯。

13、堂 認 知 狀態顯示區 顯示系統當前狀態，如動作坐標系、機器人移動速度等。顯 】 示的信息根據控制柜的模式（示教或再現）不同而改變。 人機對話顯示區 在機器人示教或自動運行過程中，顯示功能圖標以及系 統錯誤信息等。 返回 目錄 17/34 3.2 認識和使用示教器 示教器按鍵設置主要包括【急停鍵】、【安全開關】、【坐標選擇鍵】、【 軸操作鍵】 / 【 jog 鍵】、【速度鍵】、【光標鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】 所 處 等。 位 置 序號 按鍵名稱 按鍵功能 通過切斷伺服電源立刻停止機器人和外部軸操作。 急停鍵 一旦按下，開關保持緊急停止狀態；順時針方向旋轉解除緊急停止狀態 【 1 課 。

14、堂 在操作時確保操作者的安全。 認 只有安全開關被按到適中位置，伺服電源才能，機器人方可動作。 安全開關 知 2 】 一旦松開或按緊，切斷伺服電源，機器人立即停止運動。 手動操作時，機器人的動作坐標選擇鍵。 可在關節、直角、工具和用戶等常見坐標系中選擇。 坐標選擇鍵 3 此鍵每按一次，坐標系變化一次。 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。 軸操作鍵 4 可以按住兩個或更多的鍵，操作多個軸。 速度鍵 手動操作時，用這些鍵來調整機器人的運動速度。 5 光標鍵 使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動光標。 6 功能鍵 使用這些鍵可根據屏幕顯示執行指定的功能和操作。 7 返回 選

15、擇機器人控制柜的模式（示教模式、再現 / 自動模式、遠程 / 遙控模式等 目錄 模式旋鈕 8 ）。 18/34 3.3 機器人安全操作規程 3.3.1 示教和手動機器人時 所 處 位 1 ）禁止用力搖晃機械臂及在機械臂上懸掛重物。 置 2 ）示教時請勿戴手套。穿戴和使用規定的工作服、安全鞋、安全帽、保護用具等 3 ）未經許可不能擅自進入機器人工作區域。調試人員進入機器人工作區域時， 需 【 隨身攜帶示教器，以防他人誤操作。 課 堂 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】、 認 【安全開關】等。 知 】 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

16、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。 返回 目錄 19/34 3.3 機器人安全操作規程 3.3.2 再現和生產運行時 所 處 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。 位 置 2 ）在運行作業程序前，須知道機器人根據所編程序將要執行的全部任務。 3 ）使用由其他系統編制的作業程序時，要先跟蹤一遍確認動作，之后再使用該程序。 【 課 堂 4 ）須知道所有會左右機器人移動的開關、傳感器和控制信號的位置和狀態。

17、認 知 】 5 ）必須知道機器人控制器和外圍控制設備上的【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，其程序就已經完成，此時機器人很可能是在等 待讓它繼續移動的輸入信號。 返回 目錄 20/34 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 所 處 位 (1) 點動 置 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。 【 課 堂 認 知 】 返回 目錄 點動機器人 21/34 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 所 處 位 (2

18、) 連續移動 置 連續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 移動機器人主要用在示教時離目標位置較遠的場合 。 【 課 堂 認 知 】 返回 連續移動機器人 目錄 22/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 1 ) 關節坐標系 位 置 關鍵步驟：系統上電開機 a 工位機器人手動示教 選擇關節坐標系 移動 機器人到 b 工位 / 旋轉回轉機 b 工位機器人手動示教。 【 課 堂 認 知 】 工位工位 b 工位工位 b 工位工位 a 工位工位 a 雙工位操作 雙工位 + 變位機操作 機器人外部軸的運動控制，只能在關節坐標系下進

19、行。 返回 提示 目錄 23/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 2 ) 直角坐標系 位 置 關鍵步驟：系統上電開機 選擇關節坐標系 變換末端工具姿態至作業姿態 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束點。 【 課 堂 認 運動軌跡 知 】 z y x 機器人直線運動軌跡 返回 目錄 24/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 3 ) 工具坐標系 位 置 關鍵步驟： 選擇直角坐標系 移動機器人到作業軌跡的結束點 選擇工 具坐標系的 x 軸 移動機器人到一

20、個安全位置。 【 課 堂 認 動作后 知 動作前 】 末端工具規避動作 若設定工具的有效方向為工具坐標系的 z 軸，此時末端工具規避 返回 提示 目錄 動作應選 z 軸進行操作。 25/34 3.4 手動移動機器人 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 所 。需要注意的是，手動操作機器人移動時，機器人運動數據將不被保存。 處 位 開 始 置 裝夾工件 依次順序閉合電源設備開關 示 【 打開機器人附屬作業系統電源 系統上電開機 教 課 前 堂 打開機器人控制柜電源 的 認 準 登錄系統 備 知 （輸入用戶 id 與口令） 】 選擇“示教”模式 輕握【 安全開關

21、】接通 伺服電源 手 選擇機器人動作模式 動 移 設定機器人手動速度 動 手動操縱機器人 機 選擇合適的機器人坐標系 器 人 使用【 軸操作鍵 】選擇運動軸 移動機器人到目標位置 返回 結 束 目錄 手動移動機器人操作流程 26/34 點動/步進連續移動單軸運動多軸協調機器人 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 所 處 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 位 個用戶定義的直角坐標系。 置 【 擴 展 與 提 高 】 b) tcp 標定 a) 未 tcp 標定 返回 機器人工具坐標系的標定 目錄 27/3

22、4 機器人 tcp （工具中心點）標定 所 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 。 處 位 (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 置 ，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 擴 展 tcp ，如四點法； tcf 姿態標定是使幾個標定點之間具有特殊的方位關系，從而計 與 算出工具坐標系相對于末端關節坐標系的姿態，如五點法、六點法。 提

23、 高 tcp 六點法操作步驟： 】 1 ）在機器人動作范圍內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 個點的位置數據即可計算出 tcp 的位置，通過后 2 個點 即可確定 tcp 的姿態。 5 ）根據實際情況設定工具的質量和重心位置數據。 返回 目錄 28/34 機器人 tcp （工具中心點）標定 所 處 位 置 【 a) 位置點 1 b) 位置點 2 c) 位置點 3 擴 展 與 提 高 z x 】 d) 位置點 4 e) 位置點 5 f) 位

24、置點 6 tcp 標定過程 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，可通過在關節坐標系以外的坐標系中進行控 提示 返回 目錄 制點不變動作檢驗標定效果。 29/34 機器人 tcp （工具中心點）標定 如果使用搬運類的夾具，其 tcp 設定方法如下： 所 處 位 以搬運物料袋的夾緊爪為例，其結構對稱，重心在默認工具坐標系的 z 方向偏移 置 一定距離，可在設置頁面直接手動輸入偏移量數值、質量數據。 【 tcp 擴 展 與 提 高 】 夾緊爪 tcp 標定 返回 目錄 30/34 本章小結 所 處 通常可將機器人運動軸分為本體軸和外部軸兩類。 位 置 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機器人系統中，存在四類可 以使用的坐標系：關節坐標系、直角坐標系、工具坐標 【 本 章 系和用戶坐標系。其中，關節坐標系和直角坐標系在機 小 結 器人手動操作和作業示教中運用最多。 】 手動操縱工業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移動兩種方式 來實現。點動機器人