KR5arc型機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究

王國(guó)明

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，濱州 256600）

1 KR5arc型機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是企業(yè)生產(chǎn)加工的常用設(shè)備。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中，德國(guó)的KUKA、瑞士的ABB、日本的發(fā)那科和安川電機(jī)并稱為工業(yè)機(jī)器人四大家族。KR5arc型機(jī)器人由德國(guó)KUKA公司生產(chǎn)，具有6個(gè)自由度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械裝置，再經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)負(fù)載[1-2]。

KR5arc機(jī)器人在庫(kù)卡機(jī)器人家族中型號(hào)較小，最大負(fù)荷為5kg，最大工作范圍為1412mm，重復(fù)定位精度為±0.04mm。無(wú)論安裝在天花板上還是落地安裝，KR5arc機(jī)器人都能以極高的精度，迅速且有效地勝任各種工作[3-7]。它具有速度快、體積小、精度高且動(dòng)態(tài)性能佳等優(yōu)點(diǎn)，因此可輕松勝任各種嚴(yán)苛的工作，被譽(yù)為經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人專家[8-10]。 目前，庫(kù)卡機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、物流、航天、鑄造和激光沖擊定位等領(lǐng)域。

采用PC BASED控制系統(tǒng)是KR5arc機(jī)器人的一個(gè)顯著特點(diǎn)[11-12]。該系統(tǒng)是在Windows界面下操作，加上電腦硬件為標(biāo)準(zhǔn)化硬件，使得該機(jī)器人的操作更為靈活簡(jiǎn)單。此外，庫(kù)卡機(jī)器人的平均故障間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7.5×104h，平均壽命長(zhǎng)達(dá)15年，有效保障了投資價(jià)值。

KUKA機(jī)器人的編程和操作是通過(guò)示教盒如KCP實(shí)現(xiàn)的。KCP的設(shè)計(jì)輕盈靈巧，外形符合人機(jī)工程學(xué)原理，同時(shí)其彩色液晶顯示屏能直觀地再現(xiàn)操作及編程的動(dòng)作。

2 KR5arc末端執(zhí)行器軌跡示例

KR5arc機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。機(jī)器人末端執(zhí)行器起始位置為Khome點(diǎn)（為空間中的任意一點(diǎn)，該點(diǎn)是一個(gè)在整個(gè)程序范圍內(nèi)均有效的位置），以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer to Peer，PtP）的運(yùn)動(dòng)方式到K1點(diǎn)，然后末端執(zhí)行器以速度100mm/s沿直線運(yùn)動(dòng)完成如圖1所示的五角星運(yùn)動(dòng)軌跡，最后以200mm/s的速度完成圓弧軌跡。

圖1 末端執(zhí)行器的運(yùn)行軌跡

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，末端執(zhí)行器采用中性筆代替，在圖紙上完成如圖1所示的運(yùn)行軌跡的繪制。

3 坐標(biāo)系的建立

運(yùn)行KR5arc機(jī)器人之前需要建立不同的坐標(biāo)系，包括單軸坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系。笛卡爾坐標(biāo)系包括世界坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系。

3.1 單軸坐標(biāo)系

在KR5arc機(jī)器人系統(tǒng)中不需要建立單軸坐標(biāo)系。單軸坐標(biāo)系是指機(jī)器人繞軸線進(jìn)行正負(fù)方向的旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 KR5arc機(jī)器人單軸坐標(biāo)系

3.2 世界坐標(biāo)系

在KR5arc機(jī)器人系統(tǒng)中，世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于機(jī)器人底座中心處，是絕對(duì)坐標(biāo)系，位置固定不變，如圖3所示。

圖3 KR5arc機(jī)器人世界坐標(biāo)系

3.3 工具坐標(biāo)系TCP

在KR5arc機(jī)器人系統(tǒng)中，用戶可以在末端工具的某一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行定義，并將該點(diǎn)作為工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖4所示。建立工具坐標(biāo)系時(shí)，先確定工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)，再確定坐標(biāo)系的方向。現(xiàn)采用XYZ-4點(diǎn)法確定工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，操作步驟如下：

（1）運(yùn)行方式選擇T1（手動(dòng)慢速測(cè)試運(yùn)行方式）或T2（手動(dòng)快速測(cè)試運(yùn)行方式）；

（2）選擇XYZ-4點(diǎn)法；

（3）為測(cè)量的工具設(shè)定一個(gè)編號(hào)和名稱，并確定；

（4）把工具的工作點(diǎn)行駛到一參考點(diǎn)，并確認(rèn)，如圖4（a）所示；

（5）把工作點(diǎn)從另一個(gè)方向行駛到參考點(diǎn)，并確認(rèn)，如圖4（b）所示；

（6）重復(fù)步驟（5）兩次，如圖4（c）和圖4（d）所示；

（7）按備份鍵，確定工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位置。

采用系統(tǒng)中的ABC法確定工具坐標(biāo)系的方向，操作步驟如下：

（1）運(yùn)行方式方式選擇T1（手動(dòng)慢速測(cè)試運(yùn)行方式）或T2（手動(dòng)快速測(cè)試運(yùn)行方式）；

圖4 XYZ-4點(diǎn)法確定工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)

（2）選擇準(zhǔn)備運(yùn)行，選擇測(cè)量，選擇工具，最后選擇ABC世界坐標(biāo)系法；

（3）工具坐標(biāo)系編號(hào)的輸入，并確認(rèn)；

（4）規(guī)格選擇5D（機(jī)器人控制系統(tǒng)只能得到工具的碰撞方向，碰撞方向默認(rèn)為X軸，其他軸的方向由系統(tǒng)決定）或6D（機(jī)器人控制系統(tǒng)得到所有3個(gè)軸的方向）：若選擇5D規(guī)格，則工具坐標(biāo)系的X軸正方向與世界坐標(biāo)系Z軸負(fù)方向一致，其余坐標(biāo)軸的方向由機(jī)器人系統(tǒng)決定；若選擇6D規(guī)格，則工具坐標(biāo)系的X軸正方向與世界坐標(biāo)系Z軸負(fù)方向一致，工具坐標(biāo)系的Y軸正方向與世界坐標(biāo)系的Y軸正方向一致。工具坐標(biāo)系的Z軸正方向符合笛卡爾坐標(biāo)系，如圖5所示，并確認(rèn)。

圖5 確定工具坐標(biāo)系的方向

（5）最后選擇確認(rèn)鍵，并備份。

3.4 工件坐標(biāo)系

在機(jī)器人工作之前，需要用戶為工件指定一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，即工件坐標(biāo)系，也稱為BASE坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于用戶定義的一個(gè)點(diǎn)上。通常利用KR5arc機(jī)器人系統(tǒng)中的3D法建立工件坐標(biāo)系，具體步驟如下：

（1）選擇準(zhǔn)備運(yùn)行，選擇測(cè)量，選擇基座，選擇3D法建立工件坐標(biāo)系；

（2）給定基座一編號(hào)和名稱，并選擇確認(rèn)鍵；

（3）已安裝工具編號(hào)的輸入，并選擇確認(rèn)鍵；

（4）將工具行駛至新基座坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖6（a）所示，并選擇確認(rèn)鍵；

（5）將工具行駛到新的基座X軸正方向上的一點(diǎn)，如圖6（b）所示，并選擇確認(rèn)鍵；

（6）將工具在XY平面上行駛到Y(jié)軸正方向上任意一點(diǎn)，如圖6（c）所示，并選擇確認(rèn)鍵；

（7）獲得工件坐標(biāo)系，并備份，如圖6所示。

圖6 工件坐標(biāo)系的建立

4 指令說(shuō)明及編程

4.1 指令說(shuō)明

KR5arc機(jī)器人系統(tǒng)中有3種類型的運(yùn)動(dòng)指令，包括PTP運(yùn)動(dòng)編程指令、LIN運(yùn)動(dòng)編程指令和CIRC運(yùn)動(dòng)編程指令。PTP運(yùn)動(dòng)編程指令也稱為點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)指令，是指末端執(zhí)行器在空間可沿任意曲線路徑到達(dá)終點(diǎn)。LIN運(yùn)動(dòng)編程指令也稱為線性運(yùn)動(dòng)指令，是指末端執(zhí)行器按照定義的直線運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)。CIRC運(yùn)動(dòng)編程指令也稱為圓弧運(yùn)動(dòng)指令，是指末端執(zhí)行器按照定義的圓弧到達(dá)終點(diǎn)。

4.2 編程

該軌跡所對(duì)應(yīng)的程序如下：

程序完成后需進(jìn)行程序調(diào)試，在示教盒KCP上選擇軟件File，選擇新建，輸入程序的名稱CX，按確認(rèn)鍵，打開(kāi)程序，顯示如圖7所示的初始化語(yǔ)句。

圖7 初始化語(yǔ)句

將程序輸入到CX，完成輸入后選擇Close按鈕，并重新打開(kāi)程序，按上電鍵和Start鍵，開(kāi)始運(yùn)行程序，獲得如圖8所示的運(yùn)行軌跡。

圖8 機(jī)器人整個(gè)運(yùn)行過(guò)程

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)規(guī)劃KR5arc型機(jī)器人的末端執(zhí)行器的路徑，運(yùn)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)指令、線性運(yùn)動(dòng)指令和圓弧運(yùn)動(dòng)指令控制末端執(zhí)行器的運(yùn)行軌跡，以更加了解KR5arc型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、性能和編程等。此實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)器人的精確定位有一定的指導(dǎo)作用。