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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（endeffector）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，美国人GeorgeDevol（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、灯具固定架，以及汽车内部的其他硬件等。60～70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。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）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：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、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ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，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直的转动角，β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。θ、α和Φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，Φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α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、100VFINE：增量模式，且步长为1mmFINE也是增量模式，且步长为10mm2.2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1~5。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