KR5arc型機器人軌跡規劃研究

王國明

（濱州學院 機電工程學院，濱州 256600）

1 KR5arc型機器人

工業機器人是企業生產加工的常用設備。在工業機器人領域中，德國的KUKA、瑞士的ABB、日本的發那科和安川電機并稱為工業機器人四大家族。KR5arc型機器人由德國KUKA公司生產，具有6個自由度，由電機驅動各種機械裝置，再經減速后驅動負載[1-2]。

KR5arc機器人在庫卡機器人家族中型號較小，最大負荷為5kg，最大工作范圍為1412mm，重復定位精度為±0.04mm。無論安裝在天花板上還是落地安裝，KR5arc機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、精度高且動態性能佳等優點，因此可輕松勝任各種嚴苛的工作，被譽為經濟型機器人專家[8-10]。 目前，庫卡機器人廣泛應用于汽車、物流、航天、鑄造和激光沖擊定位等領域。

采用PC BASED控制系統是KR5arc機器人的一個顯著特點[11-12]。該系統是在Windows界面下操作，加上電腦硬件為標準化硬件，使得該機器人的操作更為靈活簡單。此外，庫卡機器人的平均故障間隔時間長達7.5×104h，平均壽命長達15年，有效保障了投資價值。

KUKA機器人的編程和操作是通過示教盒如KCP實現的。KCP的設計輕盈靈巧，外形符合人機工程學原理，同時其彩色液晶顯示屏能直觀地再現操作及編程的動作。

2 KR5arc末端執行器軌跡示例

KR5arc機器人末端執行器的運動軌跡如圖1所示。機器人末端執行器起始位置為Khome點（為空間中的任意一點，該點是一個在整個程序范圍內均有效的位置），以點對點（Peer to Peer，PtP）的運動方式到K1點，然后末端執行器以速度100mm/s沿直線運動完成如圖1所示的五角星運動軌跡，最后以200mm/s的速度完成圓弧軌跡。

圖1 末端執行器的運行軌跡

由于實驗條件限制，末端執行器采用中性筆代替，在圖紙上完成如圖1所示的運行軌跡的繪制。

3 坐標系的建立

運行KR5arc機器人之前需要建立不同的坐標系，包括單軸坐標系和笛卡爾坐標系。笛卡爾坐標系包括世界坐標系、工具坐標系和工件坐標系。

3.1 單軸坐標系

在KR5arc機器人系統中不需要建立單軸坐標系。單軸坐標系是指機器人繞軸線進行正負方向的旋轉，如圖2所示。

圖2 KR5arc機器人單軸坐標系

3.2 世界坐標系

在KR5arc機器人系統中，世界坐標系的原點位于機器人底座中心處，是絕對坐標系，位置固定不變，如圖3所示。

圖3 KR5arc機器人世界坐標系

3.3 工具坐標系TCP

在KR5arc機器人系統中，用戶可以在末端工具的某一個點上進行定義，并將該點作為工具坐標系的原點，如圖4所示。建立工具坐標系時，先確定工具坐標系的原點，再確定坐標系的方向。現采用XYZ-4點法確定工具坐標系的坐標原點，操作步驟如下：

（1）運行方式選擇T1（手動慢速測試運行方式）或T2（手動快速測試運行方式）；

（2）選擇XYZ-4點法；

（3）為測量的工具設定一個編號和名稱，并確定；

（4）把工具的工作點行駛到一參考點，并確認，如圖4（a）所示；

（5）把工作點從另一個方向行駛到參考點，并確認，如圖4（b）所示；

（6）重復步驟（5）兩次，如圖4（c）和圖4（d）所示；

（7）按備份鍵，確定工具坐標系的坐標原點位置。

采用系統中的ABC法確定工具坐標系的方向，操作步驟如下：

（1）運行方式方式選擇T1（手動慢速測試運行方式）或T2（手動快速測試運行方式）；

圖4 XYZ-4點法確定工具坐標系的坐標原點

（2）選擇準備運行，選擇測量，選擇工具，最后選擇ABC世界坐標系法；

（3）工具坐標系編號的輸入，并確認；

（4）規格選擇5D（機器人控制系統只能得到工具的碰撞方向，碰撞方向默認為X軸，其他軸的方向由系統決定）或6D（機器人控制系統得到所有3個軸的方向）：若選擇5D規格，則工具坐標系的X軸正方向與世界坐標系Z軸負方向一致，其余坐標軸的方向由機器人系統決定；若選擇6D規格，則工具坐標系的X軸正方向與世界坐標系Z軸負方向一致，工具坐標系的Y軸正方向與世界坐標系的Y軸正方向一致。工具坐標系的Z軸正方向符合笛卡爾坐標系，如圖5所示，并確認。

圖5 確定工具坐標系的方向

（5）最后選擇確認鍵，并備份。

3.4 工件坐標系

在機器人工作之前，需要用戶為工件指定一個笛卡爾坐標系，即工件坐標系，也稱為BASE坐標系。工件坐標系的坐標原點位于用戶定義的一個點上。通常利用KR5arc機器人系統中的3D法建立工件坐標系，具體步驟如下：

（1）選擇準備運行，選擇測量，選擇基座，選擇3D法建立工件坐標系；

（2）給定基座一編號和名稱，并選擇確認鍵；

（3）已安裝工具編號的輸入，并選擇確認鍵；

（4）將工具行駛至新基座坐標原點，如圖6（a）所示，并選擇確認鍵；

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

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

（7）獲得工件坐標系，并備份，如圖6所示。

圖6 工件坐標系的建立

4 指令說明及編程

4.1 指令說明

KR5arc機器人系統中有3種類型的運動指令，包括PTP運動編程指令、LIN運動編程指令和CIRC運動編程指令。PTP運動編程指令也稱為點到點運動指令，是指末端執行器在空間可沿任意曲線路徑到達終點。LIN運動編程指令也稱為線性運動指令，是指末端執行器按照定義的直線運動到終點。CIRC運動編程指令也稱為圓弧運動指令，是指末端執行器按照定義的圓弧到達終點。

4.2 編程

該軌跡所對應的程序如下：

程序完成后需進行程序調試，在示教盒KCP上選擇軟件File，選擇新建，輸入程序的名稱CX，按確認鍵，打開程序，顯示如圖7所示的初始化語句。

圖7 初始化語句

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

圖8 機器人整個運行過程

5 結語

通過規劃KR5arc型機器人的末端執行器的路徑，運用點對點運動指令、線性運動指令和圓弧運動指令控制末端執行器的運行軌跡，以更加了解KR5arc型機器人的結構、性能和編程等。此實驗對于學習機器人的精確定位有一定的指導作用。