机器人基础与操作

1、机器人操作培训,华中数控-培训部,石义淮,1、机器人定义,美国机器人协会（RIA）的机器人定义：“机器人是用以搬运材料、零件、工具的可 编程序的多功能操作器或是通过可改变程序来完成各种作业的特殊机械装置。” 日本工业机器人协会（JIRA）的定义：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执 行器（ end effector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机 器。” 国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的 多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序来处理各种材料、零件、 工具和专用装置，以执行种种任务。”,2、机器人的发展

2、历史,1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能 机器人。卡佩克在剧本中中首次提到Robota（捷克文“苦工，劳役” ）引起了大家的广泛关注，被当成了“机器人”一词的起源。 1950年，美国作家埃萨克阿西莫夫在他的科幻小说I，Robot中 首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人 三原则”： 1、机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被 称为“机器人学之父”。,1954年

3、，美国人George Devol （乔治.德沃儿）提出了第一,个工业机器人方案并在1956年 获得美国专利。并且乔治德 沃尔和物理学家约瑟英格柏 格与1956年成立了一家名为 Unimation（通用机械公司） 的公司，公司名字来自于两个 单词“Universal”和 “Animation”的缩写。,乔治.德沃儿,1959年，乔治德沃尔和约瑟英 格柏格发明了世界上第一台工业 机器人，命名Unimate（尤尼梅特 ），意思是“万能自动”。,1961年，Unimation公司生产和 销售了第一台工业机器人 “Unimate”-通用机械手。这 台工业机器人用于安装汽车的 门、车窗把柄、换档旋钮、灯

4、具固定架，以及汽车内部的其 他硬件等。,6070年代是机器技术获得巨 大发展的阶段，日本、西欧各 国、前苏联也相断引进或自行 研制工业机器人。,川崎重工 Kawasaki - Unimate2000 机器人这是 日本生产的 第一台工业 机器人。,欧洲安装运 行的第一台 工业机器人 。,80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、 搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，随 着机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人-示教再现机 器人。 90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服 务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。

5、,索尼3SR-3X机器人表演金鸡独立,终结者,3、我国机器人技术发展现状,我国70年代后期开始研制“七五”“863”工业机器人特种机器人及 智能机器人,水下（1000米，6000米无缆）排险、爬壁、管道、防核化侦 查、核工业用遥控移动、 自动导引小车（AGV）、步行机（双足，四足， 六足） 地面军用智能车辆等。 1999年 “863”智能机器人主题产业化基地9个（哈工大、一汽、沈 阳自动化研究所、北京机械工业自动化研究所、大连华录、南开大学、 上海交大、上海大学、兵工58研究所）,4、机器人的性能要素,（1）自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机 器人的关节数。机器人所需要的

6、自由度数决定与其作业任务。 （2）负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负 荷重量。,（3）工作空间,机器人在其工作区域内可以达到的所有点的集合。它,是机器人关节长度和其构型的函数。 （4）精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人控制系统及 反馈装置有关。与机械传动有关。,（5）重复定位精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不 仅与机器人控制系统及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器 人的动态性能有关。 （6）工作速度 单关节速度；合成速度。 （7）其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。,5、机器人的分类,机器人分类的种类和方式很多，这里介绍以下 四种分类方式： （1

7、）按驱动形式 （2）按用途划分 （3）按几何结构分类 （4）按机器人结构坐标系特点方式分类,按驱动形式,气压驱动 液压驱动 电驱动,直流伺服驱动 交流伺服驱动,(1)按驱动形式分类,由于电驱动相比气压驱动和液压驱动有更高的驱动精度和稳定 性能，目前工业机器人基本上都采用的是电驱动形式,(2)按用途划分,1）工业机器人,弧焊机器人 点焊机器人 搬运机器人 装配机器人 喷涂机器人 抛光机器人,6公斤弧焊 机器人,弧焊机器人 在工作中,弧焊机器人,2）特种机器人,空间机器人 水下机器人,军用机器人 教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险机器人,德国排雷机器人,水下排雷机器人,导盲机器人,串联机器人

8、：各连杆为串联,并联机器人：各连杆为并联,(3)按几何结构分类,(4)按机器人结构坐标系特点方式分类,按机器人结构坐标系特点方式分类主要 分成一下四类： 1) 直角坐标系机器人 2) 圆柱坐标机器人 3) 极坐标型机器人 4) 多关节机器人,1) 直角坐标系机器人,直角坐标型机器人结 构如图所示，它在x,y,z 轴上的运动是独立的,直角坐标系机器人,2) 圆柱坐标机器人,圆柱坐标型机器人的结构 如右图所示，R、和x为 坐标系的三个坐标，其中 R、是手臂的径向长度， 是手臂的角位置，x是 垂直方向上手臂的位置。 如果机器人手臂的径向坐 标R保持不变，机器人手,臂的运动将形成一个圆柱 表面。,圆柱

9、坐标机器人,3) 极坐标型机器人,极坐标型机器人又称为球 坐标型机器人，其结构如 右图所示，R， 和为 坐标系的坐标。其中是 绕手臂支撑底座垂直的转 动角， 是手臂在铅垂 面内的摆动角。这种机器 人运动所形成的轨迹表面 是半球面。,极坐标型机器人,4) 多关节机器人,如右图所示，它是以其各相 邻运动部件之间的相对角位 移作为坐标系的。、和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂 之间的夹角， 是第二臂相 对于第一臂的转角。这种机 器人手臂可以达到球形体积 内绝大部分位置，所能达到 区域的形状取决于两个臂的 长度比例。,多关节机器人,1、HSR-JR608六轴机器

10、人主要组成部分,机器人本体,机器人电气柜,示教器,二、HSR-JR608机器人认识及操作,2、HSR-JR608机器人控制系统,HSR-JR608工业机器人控制系统主要由 控制器(HPC-100/V2)与 示教器(HSR-07)以及运行在这两种设备上的软件所组成。 机器人控制器一般安装于机器人电柜内部，控制机器人的伺 服驱动器、输入输出等主要执行设备；机器人示教器一般通过电缆 连接到机器人电柜上，作为上位机通过以太网与控制器进行通讯。,（1）HSR-07示教器,示教器外形,借助示教器可实现的功能： 手动控制机器人运动 机器人程序示教编程 机器人程序自动运行 机器人运行状态监视 机器人系统参数设

11、置,（2）HSR-07示教器功能,3、六轴工业机器人的典型结构,J2、J3、J5 “抬起/后仰”为正 ，“降下/前倾”为负 J1、J4、J6满足右手法则，即 大拇指指向末端，四指为正方 向 图1-1 六轴机器人关节,4、六轴机器人的坐标系,（2）直角坐标系,六轴机器人主要有两种坐标系： （1）关节坐标系 基坐标,工件坐标系,工具坐标系,（1）关节坐标系,关节坐标系使用的坐标为 （ J1、J2、J3、J4、J5、J6）由机 器人的6个关节位置角度组成。 6个关节相对于关节零点偏移的 角度值所构成的坐标即关节坐 标系。如图所示即（0、90、 0、0、0、0）,（2）直角坐标系,如图 所示，直角坐标

12、系为 机器人的空间笛卡尔坐标系 。直角坐标使用的坐标是 X 、Y、Z、A、B、C （X，Y，Z）：代表在直角 坐标系下工具中心（TCP相 对工件坐标系在空间上的距 离。 （A，B，C）：代表在直角 坐标系下，TCP绕X方向、Y 方向、Z方向的转动。 直角坐标系,HSR工业机器人控制系统采用标 准D-H法则定义机器人直角坐标系， 即J1与J2关节轴线的公垂线在J1轴 线上的交点为基坐标系原点，坐标 系方向如图1-2所示。,图1-2 六轴机器人坐标系,1）基坐标系,2）工具坐标系,默认工具（TOOL0）的 工具中心点(TCP)位于机器 人4、5、6轴轴线的交点， 其坐标系的方向是根据基坐 标计算得

13、来，如图所示： 工具坐标系是把机器人 腕部法兰盘所握工具的有效 方向定为Z轴，也叫接近矢 量。把坐标定义在工具尖端 点，工具坐标的方向随腕部 的移动而发生变化,一般不同的机器人需应用配置不同的工具，比 如说弧焊机器人使用弧焊枪作为工具，而用于搬运 板材的机器人就会使用吸盘式的夹具或者气动卡爪 作为工具。这时就需要将默认的工具0平移或旋转至 新的TCP，如焊枪的末端,工具坐标系标定,工具坐标系的设定原理如下：,（1）首先在机器人工作范围内找一个非常精确的固定点作为 参考点。 （2）然后在工具上确定一个参考点（最好是工具的中心点） （3）用手动操作机器人的方法，去移动工具上的参考点，以 三种或则六

14、种不同的机器人姿态尽可能与固定点刚好碰上 TCP取点数量的区别： 3点法，不改变TOOL0的坐标方向 6点法，改变TOOL0的X和Z方向（在焊接应用最为常用） 前三个点的姿态相差尽量大一些，这样有利于TCP精度的提高,接近点1,接近点3,接近点3,三点法,参考原点,X方向延 伸点,Z方向延 伸点,六点法后三点,3）工件坐标系,工件坐标对应工件，它定义了工件相对于基座标的 位置。机器人可以拥有若干个工件坐标系，或者表示 不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本 。,工件坐标系的使用范例,有多个夹具台时,当进行排列或码垛作业时,二、手动操作,手动操作界面 主要用于显示和 设置当前组号、 运行

15、模式、坐标 系等，用户可以 在此界面中查看 当前的状态信息 ，并进行设置。 图2-1 手动操作界面,2.1 轴操作,修调值依次为VFINE、FINE、1、2、3、4、5、10、20、30、40、 50、60、70、80、90、100 VFINE：增量模式，且步长为1mm FINE也是增量模式，且步长为10mm,2.2 机械单元,在机械单元界面主要用于设置当前组号，本机器人控制系统可取 的组号为15。点击“组1”可弹出窗选择组，如图2.2所示。,图2-2 机械单元组号设置,2.3 工具坐标系,机器人控制系统共有16个工具坐标系，从工具0到工具15。,图2-3 工具坐标系设置窗口,2.4 工件坐标

16、系,机器人控制系统共有16个工件坐标系，从工件0到工件15。,图2-4 工件坐标系设置窗口,2.5 坐标模式,机器人控制系统有四种坐标模式，分别为关节坐标、基坐标、工 具坐标、工件坐标。 点击“关节坐标”可选择坐标类型，如图2-5所示。,图 2 5 坐标模式设置,2.6 回参考点,在手动运行界面下点击“回参考点”，然后点击“全部回零”,2.7 校准,在手动模式下控制机器人 各关节轴移动至标准零点姿 态；然后，在下图的校准界 面中输入各关节轴的零点值 （如轴一到轴六分别为 0， 90，0，0，-90，0或者0，90 ，90，0，-90，0）；最后， 按下确认键，完成校准。 图 2 6 校准界面,

17、校准位置,2.8 工具坐标系标定,工具坐标系标定,机器人控制系统支持16个工具坐标系设定。点击“工具坐标设定”，可 设置相应工具坐标系或工件坐标系的各个坐标值，如图2-7所示。,图 2 7 工具坐标系设定界面,2.8.1 三点标定,通过标定空间中机器人末端在坐标系中的三个不同位置来计算工 具坐标系。 工具坐标系三点标定操作步骤如下： （1） 点击工具坐标系进 入到工具坐标系界面，选中 需要标定的工具号（工具0不 能被标定），点击“坐标标 定”，可弹出坐标标定对话 框。 图 2 8 坐标标定,（2）在图2.8所示对话框中，点击“三点标定”弹出下拉框 可选 择标定方式，此处选择三点标定，选中一个被

18、标定点，如选择“接 近点1”，然后点击“修改位置”，会显示图2-9所示手动运行界面。,图 2-9 修改位置,（3）点动机器人到你想要记录的点，三个点的记录原则参考TCP 三点法标定说明， 点击“记录位置”即为确认修改接近点的坐标值,图 2 10 接近点1指定完成,，接近点1位置记录完成，如图2-10所示 。 （4）按照上述方法指定接 近点2、3的位置，当三个位 置都显示已修改时，按下“ 确认”，即完成三点标定， 此时相应工具标定完成。,2.8.2 六点标定,通过标定空间中机器人末端六个不同姿态的位置来计算工具坐标 系。点击工具坐标系进入工具坐标系界面，点击“坐标标定”，弹 出坐标标定对话框，如

19、图2-11所示：,图 2 11 六点标定,2.9 工件坐标系设定,工件坐标系是由用户在工件空间定义的一个笛卡尔坐标系。工件 坐标包括:（X,Y,Z）用来表示距原点的位置，（A,B,C）用来表示绕X- ，Y-，Z-轴旋转的角度。工件坐标系界面，如图2-12所示。,图 2 12 工件坐标系设定,工件坐标系可以用以下两种方式进行标定：三点法和四点法。,图 2 13 工件三点法标定,图 2 14 工件四点法标定,三、示教,常见的程序编制方法有两种，示教编程方法和离线编程方法。示教编程 方法是由操作人员引导，控制机器人运动，记录机器人作业的程序点，并插 入所需的机器人命令来完成程序的编制；离线示教是操作

20、者不对实际作业的 机器人直接进行示教，而是在离线编程系统中进行编程或在模拟环境中进行 仿真，生成示教数据，通过PC间接对机器人进行示教。示教编程方法包括示 教、编辑和轨迹再现，可以通过示教盒示教实现，由于示教方式实用性强， 操作简便，因此大部分机器人都采用这种方式。,示教界面,程序的基本信息包括：程序名、程序注释、子类型、组标志、写 保护、程序指令和程序结束标志。 （1）程序名：用以识别存入控制器内存中的程序，在同一个目录 下不能包含两个或更多拥有相同程序名的程序。程序名长度不超过8 个字符，由字母、数字、下划线(_)组成。 （2）程序注释：程序注释连同程序名一起来描述选择界面上显示 的附加信

21、息。,3.1 程序的基本信息,（3）子类型：用于设置程序文件的类型。目前本系统只支持机器 人程序这一类型 。 （4）组标志：设置程序操作的动作组，必须在程序执行前设置。 目前本系统只有一个操作组，默认的操作组 是组1（1，*，*，*，*）,。 （5）写保护：指定该程序可否被修改。若设置为“是”，程序名 、注释、子类型、组标志等不可修改。若此项设置为“否”，程序 信息可修改。当程序创建且操作确定后，可将此项设置为“是”来 保护程序，防止他人或自己误修改。,（6）程序指令：包括运动指令、寄存器指令等示教中涉及的所有 指令。 （7）程序结束标志：程序结束标志（END）自动在程序的最后一 条指令的下一

22、行显示。只要有新的指令添加到程序中，程序结束标 志会在屏幕上向下移动，所以，它总在最后一行。当执行完最后一 条指令后，程序执行到程序结束标志时，就会自动返回到程序的第 一行并终止。,3.2 新建程序,点击示教界面下方左侧的“新建程序 ”按钮，在弹出的对话框中 输入程序名，可新建一个空的程序文件，如图3-1所示。,图 3 1 新建程序的示教窗口,3.3 打开程序,打开程序对话框可查看系统中所有的程序文件及其属性，点击 “打开程序”，可显示图3-2所示程序文件列表，选择一个现有的程 序文件并点击“确认”后可加载该选中的程序文件。,图 3 2 打开程序的示教窗口,3.4 程序修改、编辑,示教主要提供

23、程序修改编辑功能，对于触摸屏手持器，本机器人 控制系统提供两种操作方式即：短按和长按。 （1） 短按任一行（即点击）的程序语句（最后一行“END”除外 ）可对该行程序语句的内容进行编辑。,图 3 3行编辑弹出框,本行编辑界面设计如下：,图3-4本行编辑,1 当前指令行：显示当前编辑的指令行，其中蓝色显示的是当前的编辑项； 2 指令帮助说明：点击帮助图标后，显示指令类型说明； 3 可滑动指令编辑行：蓝色高亮显示部分即为当前的编辑项，可左右滑动 ，以选择当前的编辑项； 4 当前编辑项的可选项：根据当前编辑项，显示当前可选择项的选项，如 “J”指令的可选项为“J”、“L”和“C”； 5 本次编辑的确

24、认和取消：点击“确认”后，即可将本次编辑好的指令替 换旧的编辑行。或点击“取消”按钮，取消当前编辑。,（2）长按任一行的程序语句（最后一行“END”除外）， 可对该行程序语句做整体操作，包括删除、复制、剪切、粘贴、修 改位置、上行插入、下行插入等，如图3-5所示。,图 3 5 程序编辑弹出框,（3）修改位置：若当前行含有位置变量P或者位置寄存器PR，且 位置号都是直接寻址的（即为“P常量”或“PR常量”），长按当 前行时，修改位置菜单颜色变为可操作，即可以对当前行的位置信 息进行查看或修改。,图 3 6 位置变量修改,在对话框左边进行模式选择，右边显示坐标值的修改。可直接点击坐标值进 行修改，

25、也可点击“位置修改”进入到手动界面进行位置修改，将机器人移 动到所需要的位置，如下图所示：,（4）添加指令：根据指令行需要插入的位置，插入操作分为上行插 入和下行插入。,选择“上行插入”选项，弹出如图3-7所示指令选择框：,图 3 7 指令选择界面,四、自动运行,在自动操作模式下可以运行机器人程序，任何程序都必须先加载到 内存中才能运行。自动运行界面如图4-1所示：,图 4 1 自动运行界面,4.1 加载程序,点击“加载程序”，会显示当前可用的所有程序文件的列表，如图4-2 所示，选择所需加载程序文件并点击“确认”即可加载选定程序文件。,4-2 程序加载界面,4.2 自动运行程序,该界面中的“启动/暂停”按钮和“停止”按钮 可控制程序运行的启停 “连续/单步”按钮和“单周/循环”按钮可设置 程序自动运行的方式。 选择单步运行模式，系统会在运行完一行程序 后停止； 连续运行，则系统连续运行完程序。 单周运行模式，系统会在运行完当前程序后停 止； 循环运行，则系统运行完程序后，再次从程序 首行重新运行。,五、寄存器,点击左边导航中的“寄存器”即可进入R寄存器和位置寄存器显示和 设置界面。如图5-1所示：,图 5 1 寄存器界面显示,5.1 R寄存器,控制系统支持200个R寄存器变量，寄存器从0开始编号，可以设置R