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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。編程過程可通過教學(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)過程，都能夠使用它并從中受益。 課堂認(rèn)知 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 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 。 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 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 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 smartPAD FANUC 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)行過程中，顯示功能圖標(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，開關(guān)保持緊急停止?fàn)顟B(tài)；順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)解除緊急停止?fàn)顟B(tài)。 2 安全開關(guān) 在操作時(shí)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(jī)器人方可動(dòng)作。 一旦松開或按緊，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。 可在關(guān)節(jié)、直角、工具和用戶等常見坐標(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)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。 可以按住兩個(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 ）須知道所有會(huì)左右機(jī)器人移動(dòng)的開關(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)器人則是長按 / 撥動(dòng)【軸操作鍵】來移動(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)離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場合 。 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) TCP 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)定過程快捷簡便。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)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) 3 d) 位置點(diǎn) 4 e) 位置點(diǎn) 5 f) 位置點(diǎn) 6 TCP 標(biāo)定過程 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) 通常可將機(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)兩種方式來實(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)的場合。 思考練習(xí) 1、填空 (1) 一般來說，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)器人常見的坐標(biāo)系有（ ）。 ①關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；②直角坐標(biāo)系；③工具坐標(biāo)系；④用戶坐標(biāo)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(hào)， 并提供一系列圖標(biāo)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(jī)對(duì)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(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，無法在直角坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)。（ ） (3) 當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障需要進(jìn)入安全圍欄進(jìn)行維修時(shí)，需要在安全圍欄外配備 安全監(jiān)督人員以便在機(jī)器人異常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠迅速按下緊急停止按鈕。（ ） (4) 示教時(shí)，為愛護(hù)示教器，最好戴上手套。（ ） (5) 手動(dòng)操作移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)將不被保存。（ ） 4、綜合應(yīng)用 使用示教器按下圖所示路徑（ A→B→C→D→E→F→A ）移動(dòng)機(jī)器人，簡述 其操作過程，并填寫表 3-6 （請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)選項(xiàng)下打 “ √ ” ）。 位置 移動(dòng)方式 機(jī)器人坐標(biāo)系 點(diǎn)動(dòng) 連續(xù)移動(dòng) 關(guān)節(jié) 直角 工具 A → B B → C C → D D → E E → F F → A 手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人要領(lǐng) 15