工业机器人集成与应用-第3章 工业机器人基础功能应用

第3章工业机器人基础功能应用——遨博机器人学院3.3工业机器人基础功能本章目录3.1工业机器人位姿定义3.4工业机器人奇异位3.2工业机器人坐标系定义3.5思考与练习本章要求

知识目标了解工业机器人位姿定义；了解工业机器人常用坐标系概念；了解工业机器人典型功能；了解工业机器人奇异性并了解如何规避。本章要求

技能目标学会使用工业机器人轴动控制功能；学会使用工业机器人轨迹控制功能；学会使用工业机器人步进控制功能；学会如何避免和过渡奇异位。3.1工业机器人位姿定义工业机器人基础功能应用3.1工业机器人位姿定义刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，要确定机器人在空间中的位姿，即确定机器人某点的位置和刚体的空间姿态。点的位置可以通过矢量来描述，刚体的姿态可以采用固连在刚体上的坐标系来描述。相对于参考坐标系，空间中任意一点的位置可用一个的位置矢量来描述。如图所示，用三个正交的单位矢量来表示坐标系{A}，那么对于空间中任意一点P可用矢量来表示，左上标表示其参考的坐标系{A}。矢量在各个坐标轴上的投影即为其在相应坐标轴上的距离，分别用，和表示。位置矢量表达式（3-1）相对于坐标系的矢量3.1工业机器人位姿定义为了描述刚体的姿态，可在刚体上固定一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间中表示出来。由于这个坐标系一直固连在刚体上，因此该刚体相对于坐标系的位置为已知。只要该坐标系可在空间表示出来，就可得到该刚体相对于固定坐标系的位姿。要描述一个坐标系相对于另一个坐标系的关系，必须给出坐标系原点的位置和它的坐标轴方向。如图所示，取刚体上一点P，该点相对于参考坐标系的位置可由位置描述给出。按照右手定则，在点P处建立坐标系{B}固定在物体上，则坐标系{B}相对于坐标系{A}的描述就可表示出刚体的姿态。位置和姿态的确定3.1工业机器人位姿定义用XB、

YB和ZB来表示坐标系{B}主轴方向的单位矢量。当该单位矢量在参考坐标系{A}表达时，可表示为AXB、AYB和AZB，那么坐标系{B}相对于坐标系{A}的表达可由旋转矩阵来表示：

（3-2）式（3-2）中AXB、AYB和AZB分别为单位矢量XB、

YB和ZB在坐标系{A}中的投影，可由单位矢量的点积表示，即坐标轴各分量之间夹角的余弦。按照一定的顺序进行三次绕主轴的旋转，可得到24种角坐标系表示法，其中12种为固定角坐标系表示法，另外12种为欧拉角坐标系表示法3.1工业机器人位姿定义1.XYZ固定角坐标系XYZ固定角坐标系又称为RPY角表示法，是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法。按照定义，首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕XA旋转γ角，再绕YA旋转β角，最后绕ZA旋转α角。每次旋转都是绕着固定参考坐标系{A}的轴，随后的“ZYX欧拉角”与“ZYZ欧拉角”中的旋转同理，不再赘述。2.ZYX欧拉角ZYX欧拉角依次绕运动坐标系{B}的Z、Y、X轴旋转。首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕ZB旋转α角，再绕YB旋转β角，再绕XB旋转γ角。3.ZYZ欧拉角ZYZ欧拉角依次绕运动坐标系{B}的Z、Y、Z轴旋转。首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕ZB旋转α角，再绕YB旋转β角，再绕XB旋转γ角。3.2工业机器人坐标系定义工业机器人基础功能应用3.2工业机器人坐标系定义3.2.1世界坐标系世界坐标系（WorldCoordinateSystem）又称大地坐标系或绝对坐标系，是以地球为参照系的固定笛卡尔坐标系，与机器人的运动无关。在没有建立其他坐标系之前，机器人上所有点的位置都基于该坐标系来确定，如图所示。在使用世界坐标系时，机器人在空间中的运动始终是唯一的，因为世界坐标系的原点和坐标方向始终固定已知。对于单台机器人，世界坐标系和基本坐标系通常重合，但是对于两台或多台共同协作的机器人，很难预测相互协作运动的情况，此时可定义一个共同的世界坐标系取而代之。世界坐标系3.2工业机器人坐标系定义3.2.2基本坐标系基本坐标系（BaseCoordinateSystem）又称为基座坐标系，固连在机器人的静止部位，通常位于机器人基座上，与世界坐标系重合，为最便于描述机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。基本坐标系在机器人基座中有相应的零点，在正常配置的机器人系统中，可通过移动底座来移动该坐标系。基本坐标系3.2工业机器人坐标系定义3.2.3法兰坐标系法兰坐标系（FlangeCoordinateSystem）又称为机械IF（Interface）坐标系，是以机器人最前端法兰面为基准确定的坐标系。如图所示，其坐标原点位于法兰中心，与法兰面垂直的轴为Z轴，Z轴正向朝外，法兰中心与定位销孔的连接线为Y轴。法兰坐标系固连在法兰面上，当法兰转动时，法兰坐标系会随着法兰面转动。法兰坐标系3.2工业机器人坐标系定义3.2.4工具坐标系工具坐标系（ToolCoordinateSystem）以工具的中心为基准点建立。安装在末端法兰盘上的工具需要在其中心点定义一个工具坐标系，通过坐标系的转换，可操作机器人在工具坐标系下运动，从而方便操作。由于工具坐标系在法兰坐标系基础上建立，若工具磨损或更换，只需重新定义工具坐标系，而不用更改程序，如图所示。工具坐标系3.2工业机器人坐标系定义3.2.5用户坐标系用户坐标系（UserCoordinateSystem）通常在基坐标系或者世界坐标系下建立，机器人可和不同的工作台或夹具配合工作，在每个工作台上建立一个用户坐标系。机器人大部分采用示教编程的方式，步骤繁琐，对于相同工件，若放置在不同工作台进行操作，不必重新编程，只需相应地变换到当前用户坐标系下，如图所示。用户坐标系3.3工业机器人基础功能工业机器人基础功能应用3.3工业机器人基础功能3.3.1工业机器人运动仿真功能工业机器人运动仿真功能是为了在不使用真实机械臂的情况下，验证用户编写的程序，根据仿真环境，通过示教器上的虚拟按键，来检验机器人的控制程序是否合理正确。仿真界面如图所示。运动仿真功能3.3工业机器人基础功能3.3.2工业机器人轴动控制功能工业机器人一共有6个自由度，对于6R机器人，有6个转动关节，如图所示，从下到上的每个关节分别命名为关节1~关节6，分别对应机器人的六个关节。用户只需使用示教界面上的关节控制按钮就可控制每个机械臂关节的转动。其中，“+”表示该关节中的电机逆时针转动，“-”表示该关节中的电机顺时针转动。轴动控制功能3.3工业机器人基础功能3.3.2工业机器人轴动控制功能轴动控制是根据路点间各个关节的运行角度，设定电机的最大速度和最大加速度（六个机械臂的公共参数）限制，使各个关节以最快的速度同步到达目标的路点（始末速度均为零）。运行过程中，可通过示教器轨迹显示功能观察机械臂末端运行轨迹。若希望机器人手臂在路点之间快速移动，则不用考虑TCP在这些路点之间的移动路径。轴动运动适用于空间足够的环境下，用最快的方式移动，运动方式如图所示。关节移动轨迹3.3工业机器人基础功能3.3.3工业机器人轨迹控制功能轨迹控制功能可在多点连续定位时实现，使运动轨迹为连续的轨迹。本功能可避免多次的分段加速度从而提高效率。可通过“Move”（移动）命令来控制机器人末端工具中心点在路点间的移动操作，主要包括直线运动和轨迹运动。Move指令3.3工业机器人基础功能3.3.3工业机器人轨迹控制功能1.直线运动直线运动使工具在路点之间进行线性移动。这意味着每个关节都会执行更为复杂的移动，以使工具保持在直线路径上。适用于此移动类型的共用参数包括所需工具最大速度和工具最大加速度（单位分别为mm/s和mm/s2），及运动模式。与轴动运动类似，工具速度能否达到和保持最大速度取决于直线位移和最大加速度参数。运动方式如图所示。直线运动轨迹3.3工业机器人基础功能3.3.3工业机器人轨迹控制功能2.轨迹运动多个路点的轨迹运动，运行过程中相应的关节空间或笛卡尔空间运行速度、加速度连续，始末路点速度为零。目前支持Arc_Cir（圆弧圆周）、moveP（直线轨迹的圆弧平滑过渡）、B_Spline（B样条曲线）三种模式。编写轨迹运动时，每个Move条件下至少需要三个路点（理论没有上限）。（1）圆弧运动：三点法确定圆弧，并按照顺序进行从起始路点运动至结束路点，属于笛卡尔空间轨迹规划。姿态变化仅受始末点影响。最大速度和加速度意义同直线运动。轨迹类型选择Arc_Cir时，右侧文本输入循环次数为0时的运动为圆弧运动。（2）圆周运动：与圆弧运动相似，三点法确定整圆轨迹及运动方向，完成整个圆周运动后回到起点。运动过程中保持起始点姿态不变。最大速度和加速度意义同直线运动。当参数类型选择Arc_Cir时，右侧文本输入框输入循环次数大于0时对应的运动为圆周运动。3.3工业机器人基础功能3.3.3工业机器人轨迹控制功能2.轨迹运动（3）直线轨迹的圆弧平滑过渡，相邻两段直线设置为交融半径处的圆弧平滑过渡，运行过程中的姿态变化仅受始末点影响。最大速度和加速度意义同直线运动。（4）B样条曲线：根据给定的路径点拟合出一条路径曲线。生成拟合曲线所使用的路点越多，拟合出的曲线离预期越接近。在机械臂轨迹运动和直线运动编程时，应确保两个Move命令相邻的路点连续，即上一个Move命令的最后一个路点和下一个Move命令的第一个路点一致。值得注意的是，当机械臂做圆周运动时，该Move命令的最后一个路点实际为第一个路点（首尾路点重合）。当程序逻辑列表中有Loop循环命令时，还应保持第一个Move命令的第一个路点和最后一个Move命令的最后一个路点一致。3.3工业机器人基础功能3.3.4工业机器人步进控制功能工业机器人步进控制指让被控制的变量以步进的方式精确变化，从而增加示教的精度。用户可通过示教器来调整机械臂运动的步长。位置步进控制表示控制末端位置移动的步长，单位为毫米，可设置范围为0.10~10.00毫米。姿态步进控制表示控制末端姿态运动角度的步长，单位为度，可设置范围为0.10~10.00度。关节步进控制表示控制各个关节运动角度的步长，单位为度，可设置范围为0.10~10.00度。步进控制只对末端控制及关节轴控制有效，如图所示，通过“+”和“-”调节步长范围。步进模式3.3工业机器人基础功能3.3.5工业机器人碰撞检测功能机器人配置有对“碰撞而产生的异常”进行检测的“碰撞检测功能”。机械臂上电静止状态下，当操作人员或其他物体误碰机械臂，且碰撞力超过安全阀值时，机械臂会顺着碰撞力的方向被动移动。此功能可以保证操作人员或其他物体与机械臂发生碰撞时，减少对人员、其他物体以及机械臂的伤害，如图所示。机器人碰撞检测3.3工业机器人基础功能3.3.6工业机器人联动模式功能联动模式时，机械臂可通过联动模式I/O口与外部一台或多台设备（机械臂等）通信。此模式一般适用于多台机械臂之间的协同运动，如图所示。多台机器人协同作业3.4工业机器人奇异位工业机器人基础功能应用3.4工业机器人奇异位1.奇异位的定义工业机器人奇异位置通常出现在操作臂完全伸展开或者收回，使得末端执行器处于工作空间边界的情况，或者由于工作空间内出现两个或者两个以上的关节轴线共线而引起，如图所示。轴串联机器人空间直角坐标3.4工业机器人奇异位在串联6轴工业机器人中，奇异位分别是：顶部奇异点、延伸奇异点、腕部奇异点。很多机器人都会存在这种奇异点，这现状跟机器人的品牌无关，只和结构有关。1）顶部奇异点腕关节中心点4、5、6轴交点，当其位与一轴轴线上方时机器人处于顶部奇异点，如图所示。顶部奇异位示意图3.4工业机器人奇异位在串联6轴工业机器人中，奇异位分别是：顶部奇异点、延伸奇异点、腕部奇异点。很多机器人都会存在这种奇异点，这现状跟机器人的品牌无关，只和结构有关。2）延伸奇异点当J2-J3延长线经过腕关节中心点时机器人处与延伸奇异点，如图所示。延伸点奇异位示意图3.4工业机器人奇异位在串联6轴工业机器人中，奇异位分别是：顶部奇异点、延伸奇异点、腕部奇异点。很多机器人都会存在这种奇异点，这现状跟机器人的品牌无关，只和结构有关。3）腕部奇异点：当4轴与6轴平行即5轴关节值为0附近时机器人处与腕部奇异点，如图所示。腕部奇异位示意图3.4工业机器人奇异位2.奇异点的危害当机器人位于奇异位形时，从轴运动学计算，机器人某轴可以得到无数解，至使此轴会得到的多个自由度结果，机器人将无法正确的进行规划运动，造成机器人某个轴运动失控，瞬间暴走极速旋转，机器人会发生报警，可能会造成设备损伤或人员伤害。这时在笛卡尔空间的某个方向上，无论选择什么样的速度都不能使机器人手臂在这个方向上运动。3.如何避免奇异位当手动使用笛