机器人专业技术实验书.docx
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机器人专业技术实验书
机器人技术基础
实验指导书
机电一体化实验室
2009年6月
学生实验规则
1、实验前，学生要认真阅读实验指导书中内容，以求对实验目的、内容、方法和步骤有初步的了解。
2、遵守实验室的各项规章制度，听从教师的指导，实验时必须严肃、认真、细致。
3、要求在教师指导下，独立按时完成规定的实验内容。
4、实验过程中，学生不得无故迟到、早退、旷课、有事须请假批准。
5、遵守操作规则，注意安全。
6、爱护实验中用到的相关设备与工具，丢失损失东西，及时报告，照价赔偿。
7、实验结束，应将设备、仪器、工具清理干净，搞好当天卫生。
第一章 HNC-IR型教学机器人简介
HNC-IR型教学机器人的总体结构为立式关节形式，具有五个自由度，各关节均采用步进电机经谐波减速器和绳轮驱动，绳轮轮系具有消除间隙机构，因此定位精度较高。
机器人的各关节结构实现了部件化，便于更换不同形式的驱动电机，根据教学、科研和工业的需要可以在各关节的驱动轴上安装力或位置检测元件，更换不同手爪非常简便。
1.1HNC-IR教学机器人基本配置
HNC-IR教学机器人由控制单元、示教操作盒、控制电柜和机器人主体等部分组成，通过连接电缆连成一体，如图1.1所示。
1.1.1控制单元
HNC-IR教学机器人的控制单元实际上就是一台工控PC机或商用PC机。
它包括主机、彩色CRT显示器、标准键盘等几部分，通过打印机接口（并行接口）由打印电缆与控制电柜侧面的“计算机接口”插座相连。
PC机键盘和CRT是人机交互的主要设备，负责编程及系统管理操作。
1.1.2示教操作盒
HNC-IR教学机器人的示教操作盒如图1.2所示，通过连接电缆直接连于控制电柜后面的“示教盒互连”插头上。
示教操作盒用于直接控制机器人的动作及获取示教编程位姿。
示教操作盒的使用介绍1.4节。
1.1.3控制电柜
控制电柜通过“220V电源”插头由连接电缆连到交流220V电源上，为机器人的控制提供强电，它把控制单元和示教操作盒送来的命令和操作转换为控制机器人动作的信号，送到固定在机器人主体上的步进电机，经谐波减速器和绳轮驱动带动机器人关节转动。
控制电柜通过“机器人互联”插头由连接电缆连到机器人尾部的插头上。
1.2机械部分
1.2.1主要技术参数
自由度（轴）数
5
机械结构形式
立式关节形
作业半径
650mm
负荷能力
2kg
重复定位精度
±0.5mm
驱动电机
步进电机
总重量（约）
40kg
运动范围
轴A（立柱）
﹣120°
+125°
轴B（大臂）
﹣12°
+108°
轴C（小臂）
﹣104°
﹣30°
轴D（手腕）
﹣105°
+44°
轴E
﹣170°
+149°
连杆长或高
连杆1
360mm
连杆2
280mm
连杆3
220mm
连杆4
150mm
1.2.2机械传动与结构
HNC_IR型教学机器人是立式关节形，具有五个自由度。
该机器人的机械结构是由立柱、大臂、小臂、手腕和手爪等五个部分组成，如图1．3所示。
立柱的底部可以固定在桌面上，也可以平放在任意台面上，立柱底部安装尺寸图如图1.4所示。
立柱顶部装有支承臂，它可以绕立柱轴心旋转±135°，称为A轴。
在支承臂上固定着驱动大臂转动的电机B和驱动手腕摆动的电机D。
大臂在支承臂上可以绕水平轴转动150°，称为B轴。
在大臂上固定着驱支小臂摆动的电机C，经过谐波减速器和绳轮传动，可使小臂绕大臂端部的轴心向下转动135°，称为C轴。
小臂的端部装有手腕部件，手腕摆动是由固定在支承臂上的电机D经谐波减速器和绳轮轮系实现的，手腕在小臂的端部绕水平轴线可以摆动±90°，称为D轴。
当大臂或小臂转动时，该绳轮轮系可使手腕相对基础坐标系实现平动。
手腕自身装有一个电机E和减速传动系统，可以带动手爪转动±180°，称为E轴。
手爪固定在手腕的端部，用电磁力实现手爪的夹紧动作，手爪张开是靠弹簧完成的。
根据作业要求可以更换手指或手爪部件。
注意：
该机器人所有关节的转动都不能超过极限位置，否则会将传动的钢丝绳或导线拉断。
1.2.3机器人的作业空间
机器人的作业空间图如图1.6所示。
图1.6机器人作业空间图
1.3机器人操作的一般步骤
1.3.1系统上电
连上220V总电源后，合上控制电柜侧面的强电开关（向上搬），向右旋控制电柜侧面的钥匙，接通示教操作盒电源及HC5902接口板电源；打开PC机及CRT电源开关。
1.3.2运行系统程序
在HNC-IR教学机器人控制单元（PC机）的安装子目录下，运行N.bat批处理文件。
此时，屏幕显示系统的主操作界面，如图1.7所示。
说明：
（1）运行方式：
显示系统目前的运行方式，如自动、单段、手动、回零、急停等．
（2）运行程序：
显示一行正在运行的程序．
（3）正文（图形）显示窗口：
根据您的需要，可以按不同的视角显示当前运行程序的三维或二维运行轨迹；可以以大字符方式显示机器人当前的坐标；可以显示正在编辑或运行的程序。
您可以选择F9“显示方式”子菜单来控制显示方式（详见第六章）。
（4）命令行说明当前画面所处的位置．
命令行——主画面．
自动运行——自动运行的设置，程序调入等．
编辑——程序编辑、删除、拷贝、改名等
参数——系统参数的显示，修改等．
MDI——MDI画面．
示教——示教编程的编辑、删除、存储等
PLC——PLC画面．
诊断——系统故障诊断及报警处理．
（5）菜单命令条：
它提示您在当前情况下，命令行下方的FI～F10这lO个按钮键的功能。
按这10个键则进入相应的界面，如在图1.7所示界面下按F10，进入扩展功能，如图1.8所示（在其它界面中按F10为返回上一界面）；在图1.8所示界面下按F10，则又回到如图1.7所示的界面。
菜单按钮键F9在任何画面中有效，用于设置显示的方式、参数等。
（6）运行程序索引：
显示自动运行中的％代码和N代码．
（7）直角指令坐标：
在机器人坐标系下显示迪卡尔空间指令位置／实际位置
（8）关节指令坐标：
在机器人坐标系下显示关节空间指令位置／实际位置
（9）运行速度：
显示自动运行时各关节的合成速度
1.3.3复位系统
从图1.7可知，刚进入主操作界面时，系统的运行方式为急停，为控制机器人运行，需按下并拔起示教操作盒侧面的“急停”按钮以复位系统，使系统进入其它运行方式（由示教操作盒上的波段开关选择），如图1.9所示。
1.3.4机器人回参考点
HNC-IR教学机器人的控制可在关节空间或迪卡尔空间下进行，因此需要建立相应的坐标系。
建立关节空间坐标系的关键在于确定各关节轴的零点。
为此，定义A轴零点为行程挡钉与轴心的连线上，A轴的正向由右手定则确定，即当四指指向A轴的正向时，大拇指指向正上方；定义B轴零点为水平面，B轴正向为水平面上方；定义C轴零点为B轴（大臂）的延长
线，C轴正向为B轴的延长线的上侧；定义D轴零点为A轴的轴线，D轴正向使手爪远离机器人侧；定义E轴零点为，两手爪的连线垂直A轴行程挡钉与轴心的连线，E轴正向由右手定则确定，即当四指指向E轴的正向时，大拇指指向正下方。
为建立关节空间坐标系，机器人在复位系统后，首先应进行回参考点的操作，以确定机器人各关节参考点在关节空间的位置。
机器人参考点可以与机器人零点重合，也可以不重合，通过机器人参数指定参考点到零点的距离。
回参考点的操作方法如下：
旋转示教操作盒上面的波段开关，置于“回零”方式；旋转示教操作盒下面的波段开关，选择轴A；按示教操作盒上的“循环启动”按钮；轴A回参考点后停止。
用同样的方法使轴B、轴C、轴D、轴E回参考点。
所有轴回参考点后，即建立了关节空间坐标系。
建立关节空间坐标系的同时，也就建立了迪卡尔空间坐标系：
定义迪卡尔空间坐标系原点为立柱和大臂的交点；X轴正向为A轴行程挡钉与轴心的连线方向；z轴正向指向正上方；Y轴正向由右手定则确定，即当四指由X轴正向指向Y轴正向时，大拇指指向z轴正向；P为手爪绕Y轴转动的角度，R为手爪绕Z轴转动的角度，P、R的正向由右手定则确定。
需要注意的是，由于各关节轴的运动范围小于一个圆周，在回参考点前，应保证关节当前位置在参考点的回参考点方向相反侧，如A轴的回参考点方向为负（-），则回参考点前，应保证A关节当前位置在参考点的正向（+）侧。
在回参考点过程中，若出现“超程”，需按下示教操作盒上的“超程解除”按钮，向相反方向手动移动该关节轴使其退出“超程”状态。
1.3.5机器人运行、编程
机器人在回参考点建立坐标系后，就可以进行其它操作了。
如手动移动一个关节坐标轴（用示教操作盒操作）；运行一个已编好存放在系统内部的程序（主操作界面下按F1）；MI）I运行一段手工现场输入的程序（主操作界面下按F4）；输入编辑（主操作界面下按F2）一个程序或用示教编程（主操作界面下按FS）的方法生成一个程序；显示、修改系统参数（主操作界面下按F3）等。
1.3.6退出机器人系统
按下示教操作盒上的“急停”按钮，在系统主操作界面下按“ALT+X”键。
1.4示教操作盒的使用介绍
1.4.1紧急停止与复位
机器人运行过程中，当出现紧急情况时，按下“急停”按钮，伺服运行立即停止工作，系统即进入急停状态；松开急停按钮，系统进入复位状态。
1.4.2超程解除
当某轴出现超程，要退出超程状态时，必须松开急停按钮，一直按着“超程解除”按钮，然后在手动方式下，使该轴向相反方向退出超程状态。
1.4.3方式选择
通过两个波段开关，选择机器人的工作方式，有如下几种方式可供选择。
（1）自动：
波段开关（下）置于“自动”，波段开关（上）置于“自动点动修调”档。
机器人控制由RC自动完成。
（2）单段：
波段开关（下）置于“单段”，波段开关（上）置于“自动点动修调”档。
机器人控制由RC单程序段执行。
（3）点动：
波段开关（上）置于“自动点动修调”档，波段开关（下）选择点动坐标轴（A、B、C、D、E）。
点动移动坐标轴方式。
（4）步进：
波段开关（上）置于“增量倍率”档，波段开关（下）选择步进坐标轴（A、B、C、D、E）。
步进移动坐标轴方式。
（5）回零：
波段开关（上）置于“回零’’档，波段开关（下）选择回零坐标轴（A、B、c、D、E）。
返回机器人参考点方式。
1.4.4返回参考点
手动回参考点。
当工作方式为回参考点方式时，按压“循环启动”按钮，执行返回参考点操作，直到被选择坐标轴到达参考点的位置（当减速限位开关被接通，再关断后，下一个标记脉冲被看作是参考点），该轴参考点返回结束，参考点返回指示灯亮。
在电源接通后，必须用这种方法完成返回参考点操作以建立坐标系。
1.4.5手动运行
手动运行包括：
点动运行、步进运行、手爪松／紧等。
（1）坐标轴选择
在手动运行方式下，首先要选择手动运行轴（A、B、C、D、E），每次只能手动走一个坐标轴。
（2）点动运行及运行速度选择
在点动运行方式下，按压“+JOG'’或“-JOG”，由坐标轴选择开关选择的轴将向正向或负向产生连续移动，松开“+JOG”或“-JOG”，即减速停止。
点动运行的速率为最大运行速率的1/3乘以“自动点动修调”开关选择的倍率。
若同时按下“+JOG”或“-JOG”和“快进”键，则产生所选坐标轴的正向或负向快速运动。
此时JOG速率为最大运行速率乘以点动倍率。
（3）增量（步进）运行及增量倍率
在步进（增量）运行方式下，按一下“+JOG”或“-JOG”，由坐标轴选择开关所选择的轴将向正向或负向移动一个增量值。
增量值的大小由“增量倍率”开关选择。
增量倍率开关上的增量值单位为度。
（4）手爪松／紧
按一下“手爪松／紧”开关，手爪由松变紧或由紧变松。
1.4.6自动运行
（1）自动运行与单段自动运行启动-循环启动
当机器人工作于自动方式时，机器人控制由CNC自动完成，在RC主操作界面下按F1键进入自动加工子菜单，按FI（程序选择）选择要运行的程序，按下“循环起动”按钮，自动加工开始。
自动加工期间，按钮内指示灯亮。
当机器人工作于单段方式时时，程序控制将逐段执行，即运行一段后机器人停止，再按一下“循环起动”按钮，即执行下一程序段，执行完了后又再次停止。
（2）自动运行暂停一进给保持
自动运行暂停。
在自动运行过程中，按下“进给保持”键，暂停执行程序，机器人运动轴减速停止，暂停期间，按钮内指示灯亮。
（3）进给保持后的再启动
在自动运行暂停状态下，按下“循环起动”键系统将重新启动，从暂停前的状态继续运行。
（4）运行速度修调
在自动方式下，当运行速度偏高或偏低时，可用“自动点动修调”开关修调程序中编制的运行速度，此开关可提供5％～150％的修调范围。
注意：
在点动方式，此开关修调点动速率。
1.4.7机器人锁定
禁止机器人各关节动作。
在自动运行开始前，将“机器人锁定”键按下，再按“循环启动”，坐标位置信息变化，但不允许机器人运动，这个功能用于校验程序。
注：
在自动运行过程中，按“机器人锁定”键，机器人锁定无效；在自动运行过程中，只有在运行结束时，方可解除机器人锁定。
第二章 HNC-IR型教学机器人编程指令说明
2.1机器人编程概述
2.1.1定义一个机器人程序
机器人程序是由机器人控制系统专用编程语言书写的一系列指令组成的，到目前为止国际标准化组织尚未规定通用代码。
机器人控制系统将机器人程序转化为对机器人的控制动作。
2.1.2准备一个机器人程序
一般来说，准备一个机器人程序可以有三种方法：
示教编程、编辑编程以及离线编程,HNC-IR教学机器人可用前两种方法创建（编制）一个机器人程序，编程操作方法将在以下一下说明。
2.2程序的结构
一个机器人程序是一组被传送到控制系统中去的指令和数据。
HNC-1R教学机器人程序是由遵循一定结构、句法和格式规则的
若干个程序段组成的，而每个程序段是由一个程序段号、一个指令字和
若个指令参数组成的。
如图2.1所示。
图2.1程序的结构
2.2.1程序段的格式
一个程序段定义一个将由机器人控制系统执行的指令行。
程序段是程序段号、指令字和指令参数组成的。
指令参数可以是纯数字，也可以是字符加数字。
程序段中不同的指令字及其后续指令参数确定了每个指令字的含义。
2.2.2 程序的一般结构
HNC一1R教学机器人程序包括起始符和结束符：
程序起始符为％，后跟程序号；程序结束符为end。
机器人程序是按程序段的输入顺序执行的，而不是按程序段号的
顺序执行的，然而我们建议书写程序时，按升序书写程序段号。
在同一个程序中，程序段号不能重复。
2.3 HNC-IR教学机器人的编程指令体系
HNC-IR教学机器人的编程指令如表2.1所示：
表2.1编程指令一览表
指令字
功能
指令参数
MOVE_
LINE_
ARCvia_to_
CIRCLEvia_und_
APPRO_over_
APPROS_over_
DEPART_
DAPARTS_
关节移动命令
空间直线移动命令
空间圆弧运动命令
空间整圆运动命令
关节空间接近命令
空间直线接近命令
关节空间离开命令
空间直线离开命令
目标点坐标：
地址符+数字
目标点坐标：
地址符+数字
中间点及目标点坐标：
地址符+数字
第一及第二中间点坐标：
地址符+数字
目标点坐标及z向距离：
地址符+数字
目标点坐标及Z向距离：
地址符+数字
z向距离：
数字
z向距离：
数字
SPEED_
运行速度
数字
DELAY_
延时等待
时间（ms）：
数字
HOMEvia_
自动返回参考点
中间点坐标：
地址符+数字
OPEN
CLOSE
打开机械手
关闭机械手
无
无
WAIT
NWAIT
精确停止校验
连续方式校验
无
无
GOSUB
RET
调用子程序
从子程序返回
子程序号：
0-9999
无
END
程序结束
无
2.3.1坐标表示形式
前面已经说过，HNC-IR教学机器人的控制可在关节空间或迪卡尔空间下进行，相应地空间任一点的坐标值有两种表示形式：
关节坐标和迪卡尔空间坐标。
当用关节坐标表示空间一点时，又可任意选用如下两种表示方法
之一（两种方法完全等价，用户可根据喜好选用）：
A_B_C_D_E_，其中A、B、C、D、E为关节坐标轴名，其后的数字表示相应的关节坐标值；
J（_，_，_，_，_），其中J表示关节（Joint）坐标，大括号内以逗号隔开的是关节坐标轴A、B、C、D、E的坐标值。
当用迪卡尔空间坐标表示空间一点时，类似地，也可用如下两种表示方法：
X_Y_Z_P_R_，其中X、Y、Z后的数字表示空间点的位置，P、R后的数字表示空间点的姿态
P（_，_，_，_，_），其中P表示迪卡尔空间坐标（Position），大括号内以逗号隔开的是迪卡尔空间坐标轴X、Y、Z、P、R的坐标值。
2.3.2编程指令详解
1、关节移动指令MOVE
格式：
MOVE
{
A_B_C_D_E_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，MOVE后的指令参数为目标点（定位终点）在机器人坐标系中的坐标。
MOVE指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以联动的方式，按SPEED指令设定的运行速度，转动转角变化最大的关节轴，到达程序段所指令的目标值，其余各关节轴同步到达程序段所指令的目标点。
MOVE指令的联动关节轴合成轨迹一般不是直线。
MOVE指令只要其目标点在运动范围内，就可可保证中间点不超出工作空间。
2、空间直线移动命令LINE
格式：
LINE
{
A_B_C_D_E_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，LINE后的指令参数为目标点（直线终点）在机器人坐标系中的坐标。
LINE指令控制机器人终端执行器（T-爪）从当前位置以联动的方式，按SPEED指令设定的合成运行速度（mm／min），沿直线（联动关节轴的合成轨迹是直线）移动到程序段所指令的终点。
LINE指令的目标点虽在运动范围内，但并不能保证直线上所有中间点不超出工作空间。
3、空间圆弧运动命令ARCVia_to_
格式：
格式：
ARCvia
{
A_B_C_D_E_
to
{
A_B_C_D_E_
X_Y_Z_P_R_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，via后的指令参数为圆弧中间点在机器人坐标系中的坐标，to后的指令参数为目标点（圆弧终点）在机器人坐标系中的坐标。
ARCvia_to_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以联动的方式，按SPEED指令设定的合成运行速度（mm／min），沿圆弧（联动关节轴的合成轨迹是空间三点决定的一段圆弧）经过中间点移动到程序段所指令的圆弧终点。
Arc指令的中间点和目标点虽在运动范围内，但并不能保证圆弧上所有中间点不超出工作空间。
例.从当前点以关节移动方式移到A点，然后从A点以圆弧方式经由B点移到C点，再从C点以直线移动方式移到D点的程序如下：
n15movex-176.24y305.248z-200.52当前点A点→（关节）
n20arcviap{352.48,0,-100.52,0,8.835}toP{176.24,-305.248,0.052,0,8}A点→B点→C点（圆弧）
n30linex176.24y-305.248z-200.52C点→D点（直线）
………………
4、空间整圆运动命令CIRCLEvia_und_
格式：
CIRCLEvia
{
A_B_C_D_E_
und
{
A_B_C_D_E_
X_Y_Z_P_R_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，via后的指令参数为空间整圆经过的第一中间点在机器人坐标系中的坐标，und后的指令参数为空间整圆经过的第二个中间点在机器人坐标系中的坐标。
CIRCLEvia_und_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以联动的方式，按SPEED指令设定的合成运行速度（mm/min），沿圆弧（联动关节轴的合成轨迹是空间三点决定的一个整圆）经过第一中间点和第二中间点移动到当前位置（圆的终点）。
CIRCLE指令的第一中间点和第二中间点虽在运动范围内，但并不能保证整圆上所有中间点不超出工作空间。
例.从前点以关节移动方式移到A点，然后从A点以圆弧方式经由B点和以C点移到A点，再从A点以直线移动方式到D点的程序如下：
n18 speed2000
n15movea0b60c-60当前点→A点（关节）
n20circleviaJ{45，30，-60，0，0}unda0b0c-45d0e0
A点→B点→C点→A点（整圆）
n30linex176.24y-305.248z-200.52A点→D点（直线）
5、关节空间接近命令APPRO_over_
格式：
APPRO
{
A_B_C_D_E_
Over_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，APPRO后的指令参数为目标点在机器人坐标系中的坐标，
over后的指令参数为Z向距离（mm），可正可负。
APPROover_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以关节移动的方式，移到与目标点在Z向上相隔一定距离处。
APPRO指令的目标点虽在运动范围内，但并不能保证其Z向上相隔一定距离处不超出工作空间。
6、空间直线接近命令APPROS_over_
格式：
APPROS
{
A_B_C_D_E_
Over_
X_Y_Z_P_R_
J{_,_,_,_,_}
P{_,_,_,_,_}
其中，APPROS后的指令参数为目标点在机器人坐标系中的坐标，over后的指令参数为Z向距离（mm），可正可负。
APPROSover_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以直线移动的方式，移到与目标点在Z向上相隔一定距离处。
APPROS指令的目标点虽在运动范围内，但并不能保证其Z向上相隔一定距离处以及整个直线不超出工作空间。
7、关节空间离开命令DEPART_
格式：
DEPART_
其中，DEPART后的指令参数为Z向距离（mm），可正可负。
DEPART_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以关节移动的方式，在Z向上移动一段距离。
8、空间直线离开命令DEPARTS_
格式：
DEPARTS一
其中，DEPARTS后的指令参数为Z向距离（mm），可正可负。
DEPARTS_指令控制机器人终端执行器（手爪）从当前位置以直线移动的方式，在Z向上移
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