手动拖动示教

手动拖动示教 (Hand Guiding / Drag Teach), 又称零力示教, 是指关闭位置伺服后, 操作员直接手动拖动机器人末端到目标位置, 由控制器在后台记录轨迹。相比 JOG 点动, 拖动示教:

速度更快 (复杂轨迹 5 分钟 vs 1 小时示教)
操作更直观 (所想即所得)
适合复杂曲面、手持操作 (如打磨、涂胶) 的路径示教

拖动示教的代价是机器人必须带电流环 / 力矩环伺服以及精确的重力补偿 + 摩擦补偿模型, 目前主要应用于协作机器人 (cobot) 和部分高端工业机器人。

原理

零力控制核心方程

关节空间下机器人动力学:

τ = M(q)·q̈ + C(q, q̇)·q̇ + G(q) + τ_friction + τ_ext

其中 τ_ext 为外力施加到关节的等效力矩. 零力控制希望伺服力矩恰好抵消 M + C + G + τ_friction, 使得外力 τ_ext 可以自由地拖动机器人:

τ_cmd = M̂(q)·q̈_d + Ĉ(q, q̇)·q̇ + Ĝ(q) + τ̂_friction

其中 q̈_d 可设置为 0 (纯零力) 或根据外力做虚拟阻抗控制 (零力 + 阻尼)。

精度三大关键

项目	要求	不准的后果
重力补偿 `Ĝ(q)`	工具质量与质心精度 ±2%	手松开后机器人下坠或上抬
摩擦补偿 `τ̂_friction`	每轴库伦 + 粘滞摩擦辨识	拖动起步卡顿
惯量补偿 `M̂(q)`	加速阶段; 低速可忽略	拖动不流畅

支持的机器人型号

品牌	型号	重力补偿	摩擦补偿	推荐拖动
Universal Robots	UR3e / UR5e / UR10e / UR16e	内置	内置	是
AUBO	i3 / i5 / i10 / i16	内置	内置	是
JAKA	Zu3 / Zu5 / Zu7 / Zu12	内置	内置	是
ELite	CS 系列	内置	内置	是
遨博 (AUBO)	i 系列	内置	内置	是
大族	Elfin / E05	内置	内置	是
新松	SR 协作系列	内置	内置	是
节卡	JAKA Minicobo	内置	内置	是
ABB	GoFa / SWIFTI	内置	内置	是
Kuka	LBR iiwa / LBR iisy	内置 (7 轴扭矩)	内置	是
Fanuc	CRX 系列	内置	内置	是
ABB IRB 1200/2600 工业臂	-	需辨识	需辨识	有限
Kuka KR Agilus	-	需辨识	需辨识	有限
Fanuc M-10iD	-	需辨识	需辨识	否
传统工业臂 (无扭矩反馈)	-	-	-	否

协作机器人标配拖动示教, 工业臂只有部分高端支持 (需要 MTS 扭矩传感器或电流估扭).

前置条件

机器人支持扭矩控制模式 (可查 ESI 或手册)
工具已安装并配置负载 (质量 + 质心), 否则重力补偿错
已完成摩擦辨识 (系统首次使用或更换工具时)
使能开关按下 (三位中间档保持)
工作区清空, 拖动时可能撞到周边物体

工具负载配置

拖动前必须精确配置工具参数:

VAR
    SetLoad : MC_SetLoadParams;
END_VAR

SetLoad(
    Robot   := Robot1,
    Execute := TRUE,
    Mass    := 2.5,           // kg
    CogX    := 0.0,           // 质心 X (mm, 相对法兰)
    CogY    := 0.0,
    CogZ    := 80.0,          // 质心 Z
    Ixx     := 0.005,         // 惯量主值 (kg·m²)
    Iyy     := 0.005,
    Izz     := 0.002
);

质量测量建议:

用电子秤 (精度 ±0.01 kg)
质心位置: 拆下工具, 放到支点上找平衡, 或用 CAD 模型导出

不准的负载 → 手松开工具下坠 / 上抬 (比如质量实际 3 kg 配成 2 kg, 手松开末端会以 1 kg 的力下坠).

摩擦辨识

辨识流程

设备 → 机器人 → 摩擦辨识向导
系统自动让机器人慢速 + 中速 + 高速分别转每个关节, 正反方向各一次
记录电流 vs 速度曲线, 拟合出库伦摩擦 F_c 和粘滞摩擦 F_v:

τ_friction(q̇) = F_c · sign(q̇) + F_v · q̇

辨识时间约 5 分钟 (6 轴), 过程中人不可干预
辨识完成后保存到机器人配置文件

辨识触发时机

时机	是否必须重新辨识
首次安装	必须
换工具 (改变负载)	不需要 (摩擦是机身的)
环境温度变化 > 15°C	建议
使用 6 个月以上	建议 (润滑状态变化)
更换减速器	必须
机器人摔过 / 撞过	必须

拖动示教操作步骤

1. 进入拖动模式

示教器上按 Drag 按键 (多数协作机器人示教器有专用按钮)
或在程序里调用:

VAR
    EnableDrag : MC_HandGuiding;
END_VAR

EnableDrag(
    Robot   := Robot1,
    Enable  := bDragMode,
    DragMode := DRAG_ZERO_FORCE,   // 零力 / 零力+阻尼 / 单轴限制
    ForceThreshold := 5.0,          // N, 外力低于此阈值视为静止
    DampingX := 10.0,               // Nm/m/s, 阻尼系数
    DampingY := 10.0,
    DampingZ := 10.0
);

进入拖动模式后, 伺服切到零力控制, 抬手即可感觉到机器人变"软"。

2. 拖动记录

连续记录: 按住示教器上 Record 键, 松开即停, 生成一条连续轨迹, 默认采样 10 ms / 点
点位记录: 走到目标点后单按 Point, 记录为命名点位
路径记录: 整段拖动完成后命名保存为路径, 点位会自动稀疏化 (距离 < 1 mm 的点合并)

3. 退出拖动

再按一次 Drag 退出
或松开使能开关 (会自动退出并刹车)

4. 路径回放

VAR
    Playback : MC_MovePath;
END_VAR

Playback(
    Robot    := Robot1,
    Execute  := bPlay,
    PathId   := 1,              // 拖动记录的路径 ID
    Velocity := 100.0,           // mm/s
    Smooth   := 5.0              // 平滑半径 mm
);

阻抗参数

拖动并非完全零力, 系统可叠加虚拟阻抗提升可控性:

参数	说明	低值	高值
Mass	虚拟质量	软, 轻盈但易过冲	沉重, 稳定
Damping	阻尼	拖得快	拖得稳但费力
Stiffness	刚度	纯零力	带回弹力 (测不到目标位时自动回中)

典型参数:

自由拖动 (Free Drag): Mass = 0, Damping = 10, Stiffness = 0
点到点对齐: Mass = 5, Damping = 20, Stiffness = 50 (接近目标时有吸引力)
平面约束: Damping Z 轴设高, 其他轴低 → 只能在水平面内拖

单轴锁定拖动

对焊接等应用, 希望工具只能沿某一轴移动, 其他方向锁定. 配置:

DragMode := DRAG_CONSTRAINED;
LockAxis := [FALSE, FALSE, TRUE, TRUE, TRUE, TRUE];  // 锁 Z / Rx / Ry / Rz, 允许 X / Y

操作员手拖工具, 感觉上工具像在"桌面上滑"一样, 无论怎么推, 高度 (Z) 和姿态都不变。

安全注意事项

工作区清空: 拖动时机器人完全被动, 可能撞到周边, 清走夹具、工件以外的物体
手放牢: 手一定要托住工具, 不能抓轴 (夹手)
工具尖端朝远离身体: 焊枪 / 切割头尖端朝外, 防止戳伤
低速熟练: 第一次拖先小范围试试, 熟悉"软"的感觉
使能开关不要死按: 一只手操作示教器, 一只手扶工具, 使能开关按到中间档 (按到底等于急停)
断电保护: 部分机型拖动时伺服力矩小, 负载稍大会下坠, 断电前先把机器人抬到安全折叠姿态

排错清单

现象	原因	解决
松手后机器人下坠	负载质量填小了	重新测量工具质量并填大
松手后机器人上抬	负载质量填大了	减小 Mass 参数
拖动卡顿 / 起步费力	摩擦补偿不足	重做摩擦辨识
拖不动	进错模式 (还在位置伺服)	再按一次 Drag 键确认进入
拖动过程中突然锁死	接近奇异点或关节极限	反向稍退, 换关节 JOG 过渡
某个方向感觉重 / 轻	阻尼不对称	调整 Damping X/Y/Z 一致
记录路径抖	采样率与机械共振	降低记录采样率到 20 ms

最佳实践

负载精确比拖动体验更重要: 差 5% 负载 = 拖动时有明显漂移
工具快换: 快换板配好负载参数, 换工具时调用 MC_SetLoad 切换
记录路径后稀疏化: 连续记录点太多, 回放前用 IDE 的路径简化工具压到 5~10 mm 间距
拖动 + JOG 混用: 粗略位置用拖动, 最后 mm 级用工具 JOG 小增量精调
避免边缘姿态: 拖动到机器人能力边缘 (臂伸直) 时会僵硬, 推不动
定期重新辨识: 半年或换季重新做一次摩擦辨识
禁止带人拖: 协作机器人能检测碰撞停, 但别用人体测试, 撞伤人不开玩笑

原理​

零力控制核心方程​

精度三大关键​

支持的机器人型号​

前置条件​

工具负载配置​

摩擦辨识​

辨识流程​

辨识触发时机​

拖动示教操作步骤​

1. 进入拖动模式​

2. 拖动记录​

3. 退出拖动​

4. 路径回放​

阻抗参数​

单轴锁定拖动​

安全注意事项​

排错清单​

最佳实践​

相关文档​

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