模塊7 工業(yè)機器人操作與編程

工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)模塊七工業(yè)機器人操作與編程工業(yè)機器人最初是為工業(yè)生產(chǎn)制造提供勞動力而設(shè)計的產(chǎn)品：人類社會的勞動力實現(xiàn)從人力到機械的跨越經(jīng)過了漫長的時間，然而傳統(tǒng)的機械設(shè)備仍然需要人來進行實時操作。于是人們想象有這樣一種機械設(shè)備——它不僅能夠完成人力能做的所有事，還能服從人的命令，按照人的要求自動去從事勞動，并且不偷懶，不怕累，也不需要在人類的監(jiān)督下工作?；谶@樣的理念，人們設(shè)計出了工業(yè)機器人。雖然工業(yè)機器人有這樣強大的功能，但要想讓它按照人們的需求工作，還需要人們將工作內(nèi)容和要求預(yù)先轉(zhuǎn)化為機器可接收的信息，進而輸入工業(yè)機器人系統(tǒng)。這就是工業(yè)機器人應(yīng)用中的操作與編程。工業(yè)機器人的基礎(chǔ)操作是在脫離自動化程序的場景下，單獨實現(xiàn)工業(yè)機器人的各項功能，它可用于檢驗工業(yè)機器人的功能以及工作質(zhì)量。工業(yè)機器人的編程是把對工業(yè)機器人的工作需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N機器人能識別的語言命令并輸入機器人系統(tǒng)，進而讓工業(yè)機器人按照這些命令執(zhí)行工作。目錄單元1工業(yè)機器人基本操作單元2工業(yè)機器人編程單元1工業(yè)機器人基本操作單元1工業(yè)機器人基本操作在手動操作模式下，工業(yè)機器人的動作模式通常有三種：關(guān)節(jié)運動、線性運動、重定位運動。（一）關(guān)節(jié)運動在手動操作模式下對工業(yè)機器人進行運動操作，使某一個軸單獨作回轉(zhuǎn)運動，如圖7－1－1所示。一、手動操作動作模式單元1工業(yè)機器人基本操作（二）線性運動在手動操作模式下對工業(yè)機器人進行運動操作，使工具坐標系沿著參考坐標系的軸向作線性運動，如圖7－1－2所示。一、手動操作動作模式單元1工業(yè)機器人基本操作（三）重定位運動在手動操作模式下對工業(yè)機器人進行運動操作，使機器人繞著工具坐標系的X（或Y，Z）軸作回轉(zhuǎn)運動，正方向用右手法則判定，如圖7－1－3所示。一、手動操作動作模式單元1工業(yè)機器人基本操作（一）參考坐標系與運動對象從物理學上衡量運動時需要兩大對象：運動對象和參考坐標系。最基本的運動對象是一個點的運動，點是沒有大小和形態(tài)的，如圖714（a）所示；但在現(xiàn)實中，任何運動物體都有大小，如圖714（b）所示；且除勻質(zhì)球體之外，對于任何物體運動我們都能明顯感覺其姿態(tài)的存在，如圖714（c）所示。在描述運動時，往往為物體添加一個坐標系，用于表達它的姿態(tài)。二、坐標系統(tǒng)認知單元1工業(yè)機器人基本操作研究和操作機器人的第一步，是描述機器人各關(guān)節(jié)之間以及它們和工具或工件之間的相對運動關(guān)系。因此，首先要建立各關(guān)節(jié)之間的相互關(guān)系，即要建立坐標系。坐標系是為了確定機器人的位置和姿態(tài)而在機器人或空間上設(shè)立的位置指標系統(tǒng)。

ABB工業(yè)機器人的參考坐標系包括四種（機器人品牌大多是這四種參考坐標系，只是名稱可能不同）：

1.基坐標系。

2.大地坐標系。

3.工具坐標系。

4.工件坐標系。

ABB工業(yè)機器人的運動對象是末端工具，用工具坐標系定義姿態(tài)，運動參考點是TCP（ToolCenterPoint，工具坐標系原點）。沒有安裝工具時，以工具安裝法蘭為對象，用工具坐標系tool0定義姿態(tài)。二、坐標系統(tǒng)認知單元1工業(yè)機器人基本操作（二）基坐標系基坐標系是固定在工業(yè)機器人底座上的一個參考坐標系。當工業(yè)機器人在空間內(nèi)移動TCP時，始終有一個參照系給TCP的運動作參照，我們把這個默認的參照系稱為六軸工業(yè)機器人的“基坐標系”。

ABB機器人的基坐標原點在底座上，z軸垂直于底座，具體方向如圖7－1－5所示。二、坐標系統(tǒng)認知單元1工業(yè)機器人基本操作（三）大地坐標系大地坐標系是工業(yè)機器人系統(tǒng)工作站中唯一固定不變的參照坐標系。當工業(yè)機器人本體不是固定不動，或者工作空間內(nèi)存在多個機器人協(xié)作，需要統(tǒng)一它們的位置參照時，就需要用一個參照系來確定機器人的基坐標系在空間內(nèi)的位置，我們把這個參照系稱作“大地坐標系”。一般情況下，單個機器人的工作站中機器人位置固定不動時，大地坐標系默認設(shè)置是與基坐標系重合的。（四）工具坐標系工具坐標系是固定在機器人末端法蘭或工具上的參考坐標系。機器人工具在運動的過程中，有的需要參考整個工具，意味著工具的姿態(tài)需要是可控的，要在工具上建立一個笛卡爾坐標系。（五）工件坐標系工件坐標系是用戶根據(jù)操作編程需求自行建立在任意位置和方向的參考坐標系。二、坐標系統(tǒng)認知單元1工業(yè)機器人基本操作（三）大地坐標系

I/O信號監(jiān)控是操作員對工業(yè)機器人系統(tǒng)輸入信號的監(jiān)視和輸出信號的控制。圖7－1－6所示為某品牌機器人的監(jiān)控界面，可以將數(shù)字輸出信號置為0或1，也可以監(jiān)視數(shù)字輸入信號的實時狀態(tài)。三、I/O信號監(jiān)控目錄單元1工業(yè)機器人基本操作單元2工業(yè)機器人編程單元2工業(yè)機器人編程單元2工業(yè)機器人編程為了讓工業(yè)機器人按照一定的流程自主地完成相關(guān)作業(yè)，我們需要為工業(yè)機器人編寫一套指令的有序集合。編寫指令的過程就是工業(yè)機器人編程。例如：機器人需要做一項工作，用夾爪將鐵塊從位置place1夾起，放到place2位置，如圖7－2－1所示，請對其進行編程。一、工業(yè)機器人編程概述單元2工業(yè)機器人編程指令流程（圖7－2－2）：

1.機器人夾爪到達鐵塊正上方。

2.打開夾爪。

3.夾爪到達鐵塊夾取位置place1。

4.夾爪閉合，夾住鐵塊。

5.夾爪向上運動。

6.夾爪到達place2位置正上方。

7.夾爪夾著鐵塊運動到place2。

8.打開夾爪，釋放鐵塊。通過這個例子，可以看出編程其實就是將一項工作按流程細化到每一個步驟，一個步驟對應(yīng)著一條指令。工業(yè)機器人編程是用特定的程序語言去描述對應(yīng)的動作行為。一、工業(yè)機器人編程概述單元2工業(yè)機器人編程工業(yè)機器人的程序指令有很多，它是一套完整的機器語言。但從功能上，這些指令主要分為三部分，分別是運動監(jiān)控、信號監(jiān)控、邏輯控制。（一）運動監(jiān)控運動監(jiān)控指令分運動監(jiān)視和運動控制兩部分。運動監(jiān)視指令可用于讀取機器人的運動數(shù)據(jù)，包括位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)等。運動控制指令主要控制機器人的運動模式，包括運行軌跡、運行速度等。（二）信號監(jiān)控信號監(jiān)控指令分信號監(jiān)視和信號控制兩部分。信號監(jiān)視指令可用于讀取機器人控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的信號對應(yīng)的狀態(tài)，包括數(shù)字信號的電平、模擬信號的大小等。信號控制指令主要用于控制機器人系統(tǒng)的數(shù)字量輸出信號和模擬量輸出信號，能夠置位或置反數(shù)字量輸出信號并設(shè)置模擬量輸出信號的大小。（三）邏輯控制邏輯控制指令用于控制程序的運行邏輯，如循環(huán)、條件判斷、計算、跳轉(zhuǎn)等。二、工業(yè)機器人編程功能單元2工業(yè)機器人編程在機器人專用語言未能實用化之前，人們使用通用的計算機語言編制機器人管理和控制程序，當時最常用的語言有匯編語言、FORTRAN語言、PASCAL語言、BASIC語言等?，F(xiàn)在所廣泛使用的機器人語言也是在通用計算機語言的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。一般而言，機器人語言至少應(yīng)當包括以下幾個模塊：系統(tǒng)初始化模塊、狀態(tài)自檢模塊、命令處理模塊、起始定位模塊、編輯操作模塊、示教操作模塊、單步操作模塊及再現(xiàn)操作模塊等。（一）編程方式由于機器人的控制裝置和作業(yè)要求多種多樣，國內(nèi)外尚未制訂統(tǒng)一的機器人控制代碼標準，所以編程語言也是多種多樣的。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機器人編程方式主要有以下幾種形式：

1.順序控制的編程在順序控制的機器中，所有的控制都是由機械的或電氣的順序控制器實現(xiàn)的，一般沒有程序設(shè)計的要求。順序控制的靈活性小，這是因為所有的工作過程都已預(yù)先編好——可由機械擋塊或其他確定的辦法所控制。這種方法的主要優(yōu)點是成本低、易于控制和操作。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

2.示教方式編程目前，大多數(shù)機器人仍采用示教方式編程，這是一項成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作任務(wù)的人員所掌握，而且使用簡單的設(shè)備和控制裝置即可進行。示教過程進行得很快，示教過后，馬上即可應(yīng)用。在對機器人進行示教時，機器人控制系統(tǒng)將示教的機器人軌跡和各種操作存入存儲器，如果需要，過程可以重復(fù)多次。在某些系統(tǒng)中，還可以用與示教時不同的速度進行模擬。如果能夠從一個運輸裝置獲得使機器人的操作與搬運裝置同步的信號，就可以用示教的方法來解決機器人與搬運裝置配合的問題。示教方式編程也有一些缺點：（1）只能在有限的速度下工作。（2）難與傳感器的信息相配合。（3）不能用于某些危險的情況。（4）在操作大型機器人時，這種方法不實用。（5）難獲得高速和直線運動。（6）難與其他操作同步。使用示教盒可以克服其中的部分缺點。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

3.示教盒示教利用裝在控制盒上的按鈕可以驅(qū)動機器人按需要的順序進行操作。在示教盒中，每一個關(guān)節(jié)都有一對按鈕，分別控制該關(guān)節(jié)在兩個方向上的運動，有時還提供附加的最大允許速度控制。雖然為了獲得最高的運行效率，人們希望機器人能實現(xiàn)多關(guān)節(jié)合成運動，但在用示教盒示教的方式下，卻難以同時移動多個關(guān)節(jié)。電視游戲機上的游戲桿雖可用來提供幾個方向上的關(guān)節(jié)速度，但它也有缺點——這種游戲桿是通過移動控制盒中的編碼器或電位器來控制各關(guān)節(jié)的速度和方向，難以實現(xiàn)精確控制。示教盒一般用于對大型機器人或危險作業(yè)條件下的機器人示教。這種方法難以獲得高的控制精度，也難以跟其他設(shè)備同步及與傳感器信息相配合。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

4.脫機編程或預(yù)編程脫機編程和預(yù)編程的含意相同，是指用機器人程序語言預(yù)先進行程序設(shè)計，而不是用示教的方法編程。脫機編程有以下幾個方面的優(yōu)點：（1）編程時可以不使用機器人，可騰出機器人去做其他工作。（2）可預(yù)先優(yōu)化操作方案和運行周期。（3）以前完成的過程或子程序可結(jié)合到待編的程序中去。（4）可用傳感器探測外部信息，從而使機器人作出相應(yīng)的響應(yīng)，這種響應(yīng)使機器人可以在自適應(yīng)的方式下工作。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（5）控制功能中可以包含現(xiàn)有的計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）的信息。（6）可以用預(yù)先運行程序來模擬實際運動，從而不會出現(xiàn)危險。利用圖形仿真技術(shù)，可以在屏幕上模擬機器人運動來輔助編程。（7）對不同的工作目的，只需替換一部分待定的程序。在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，沒有外界環(huán)境的反饋，僅有的輸入是各關(guān)節(jié)傳感器的測量值，因此可以使用簡單的程序設(shè)計手段。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（二）機器人編程語言的基本要求和類別機器人編程語言是一種程序描述語言，它能十分簡潔地描述工作環(huán)境和機器人的動作，能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡可能簡單的程序來實現(xiàn)。機器人編程語言也和一般的程序語言一樣，應(yīng)當具有結(jié)構(gòu)簡明、概念統(tǒng)一、容易擴展等特點。從實際應(yīng)用的角度來看，很多情況下都是操作者實時地操縱機器人工作，為此，機器人編程語言還應(yīng)當簡單易學，并且有良好的對話性。高水平的機器人編程語言還能夠應(yīng)用目標物體和環(huán)境的幾何模型，因此性能優(yōu)越的機器人語言會極大地減少編程的困難。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程從描述操作命令的角度來看，機器人編程語言的水平可以分為動作級語言、對象級語言和任務(wù)級語言。（1）動作級語言：以機器人末端執(zhí)行器的動作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個動作，這是一種最基本的描述方式。（2）對象級語言：允許較粗略地描述操作對象的動作、操作對象之間的關(guān)系等。使用這種語言時，必須明確地描述操作對象之間的關(guān)系和機器人與操作對象之間的關(guān)系，它特別適用于組裝作業(yè)。（3）任務(wù)級語言：為實現(xiàn)指定操作內(nèi)容，機器人必須一邊思考一邊工作，任務(wù)級語言是直接指定操作內(nèi)容的一種水平很高的機器人程序語言。現(xiàn)在還有人在開發(fā)一種系統(tǒng)，它能按某種原則給出最初的環(huán)境狀態(tài)和最終的工作狀態(tài)，然后讓機器人自動進行推理、計算，最后自動生成機器人的動作。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程目前在實際生產(chǎn)中常見的機器人編程語言可分為以下幾類：

1.ABB機器人編程語言

ABB機器人使用的是RAPID編程語言，它是在Pascal語言的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，用于對ABB機器人進行運動控制、數(shù)據(jù)處理、信號處理、邏輯設(shè)置等編程功能。如圖7－2－3所示，ABB機器人的程序模塊有三部分，分別是例行程序（又叫無返回值例行程序）、中斷程序和功能程序（也叫有返回值例行程序）。例行程序主要用于機器人的正常工作編程，包括運動控制、信號控制、和邏輯控制。中斷程序用于機器人工作中非正常故障的自動處理。功能程序用于在機器人中反饋某些變量數(shù)據(jù)值。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

ABB程序指令從結(jié)構(gòu)上看，分為程序指令和程序數(shù)據(jù)。程序指令用于控制機器人的運動模式、運行邏輯、處理信號的方式等。程序數(shù)據(jù)是一個具體的程序變量，如運動速度、位置坐標、循環(huán)次數(shù)、信號對象等。（1）運動指令:如圖7－2－4所示，運動指令（表7－2－1）囊括了機器人運動所需的所有因素，用于控制機器人的運動模式，如直線運動、關(guān)節(jié)運動等；目標位置是機器人運動的終點位姿，包括TCP坐標和工具姿態(tài)；速度數(shù)據(jù)用于控制機器人運動過程的快慢及加速度的大??；轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)用于控制機器人是否準確到達目標位置及轉(zhuǎn)彎區(qū)大小；運動對象是選擇工具坐標系及對應(yīng)的TCP；參考系與目標位置中的坐標相關(guān)。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程例如：工業(yè)機器人TCP從某一位置直線運動至p10點，再以直線的方式運動至p20。在這個過程中并不準確到達p10，這就類似于編程的目的是讓機器人直接到達p20，但這之間存在障礙物，需要從p10附近繞一下，如圖7－2－5所示。MoveLp10，v500，z50，tool1＼Wobj：=wobj1；MoveLp20，v500，fine，tool1＼Wobj：=wobj1；

MoveL：直線運動（程序指令）

p10：位置數(shù)據(jù)（程序數(shù)據(jù)）

v500：速度數(shù)據(jù)（程序數(shù)據(jù)）

z50：轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)（程序數(shù)據(jù)）

tool1：工具數(shù)據(jù)（程序數(shù)據(jù)）

wobj1：坐標系數(shù)據(jù)（程序數(shù)據(jù)）三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（2）數(shù)字信號置位指令：將數(shù)字輸出信號do1設(shè)為1。（3）等待指令：等待滿足布爾數(shù)據(jù)flag1的值為TRUE這個條件。（4）循環(huán)指令：若flag1=TRUE，則程序一直循環(huán)執(zhí)行Routine1；若flag1=FALSE，則跳出循環(huán)，執(zhí)行WHILE外的程序。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（5）邏輯指令：執(zhí)行完Routine1后，如果flag1的布爾值為TRUE，則執(zhí)行work1，否則執(zhí)行work2，然后再執(zhí)行Routine2。

（6）FOR循環(huán)：使參數(shù)n依次等于1，2，3，運行FOR內(nèi)的程序，運行結(jié)束后跳出。三次運行過程中，n*100依次等于100，200，300。

三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

2.KUKA機器人編程語言

KUKA機器人使用的是KRL（KUKARobotLanguage）編程語言，它是KUKA公司自行開發(fā)的針對用戶的語言平臺，通俗易懂。

KUKA機器人的編程模塊應(yīng)保存在文件夾“Program”（程序）中，也可建立新的文件夾并將程序模塊存放在那里。模塊由SRC文件和DAT文件組成，一個模塊中可以加入注釋，此類注釋中可含有程序的簡短功能說明。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

SRC文件中是程序代碼。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程

DAT文件中是程序數(shù)據(jù)的定義。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（1）運動指令：KUKA機器人的運動指令有三種，對應(yīng)著三種不同方式的機器人運動，如表7－2－2與表7－2－3所示。三、工業(yè)機器人編程語言單元2工業(yè)機器人編程（2）等待時間：等待1s。（3）信號控制指令：通過切換功能可將數(shù)字信號傳送給外圍設(shè)備，為此要使用先前相應(yīng)分配給接口的輸出端編號，如表7－2－4所示。三、工業(yè)機器人編程語言單元