机器人示教基础：示教方式分类与安全规范

示教（Teaching）是机器人从“编程对象”变为“执行工具”的关键桥梁。在力控拖动示教系统设计中，理解不同示教方式的原理、适用场景与操作边界，是后续设计拖动算法、力矩补偿和交互界面的前提。本章将系统梳理在线示教、离线示教与拖动示教三类主流方式，深入讲解示教器操作流程与安全规范，并结合实际产线案例剖析常见误区。

2.1 在线示教：逐点编程的经典范式

在线示教（Online Teaching）是最传统、也最直观的示教方式。操作者通过示教器手动控制机器人运动到目标位置，逐点记录路径点，并设置运动参数（速度、姿态、插补方式），最终生成机器人可执行的作业程序。这种方式直接依赖物理机器人本体，所有点位均来自实际空间坐标，因此精度较高，尤其适用于空间轨迹复杂、工件位置固定的场景。

核心原理与操作流程

在线示教的核心在于“人机协同定位”。操作者通过示教器上的摇杆、按键或触摸屏，切换机器人运动模式（关节运动、直线运动、重定位运动），将工具中心点（TCP）移动到期望位置。每到达一个目标点，操作者按下“记录”按钮，系统即保存当前关节角或笛卡尔坐标。随后可设置该点的运动类型（PTP、LIN、CIRC）和速度倍率。

1. 上电与初始化：机器人上电后，系统执行自检，确认伺服驱动器、编码器、安全回路正常。此时必须处于手动模式（T1/T2），速度被限制在250mm/s以内。
2. 坐标系选择：根据任务选择世界坐标系、基坐标系、工具坐标系或工件坐标系。错误的坐标系会导致运动方向与预期不符。
3. 手动移动：使用示教器上的使能开关（三段式）配合摇杆或按键，以点动或连续方式移动机器人。使能开关必须轻按至中位，重按或松开均会触发急停。
4. 点位记录与参数设置：到达目标点后，记录点位，并设置速度、加速度、姿态插补方式（如平滑过渡、精确到达）。
5. 程序调试与优化：编写完整程序后，先以低速单步运行，确认轨迹无误后再逐步提高速度。

案例拆解：焊接工装在线示教

某汽车零部件厂需要对一款铝合金支架进行弧焊，焊缝为空间曲线，长度约300mm。工程师采用在线示教方式，在示教器上以5mm间距逐点记录焊缝位置，共记录60个路径点。初始调试时发现，由于工件装夹存在约0.5mm的批次偏差，部分焊点位置偏离焊缝中心。工程师通过调整工具坐标系的TCP偏移量，并增加激光焊缝跟踪传感器进行实时修正，最终将焊接偏差控制在±0.3mm以内。该案例表明，在线示教虽然耗时，但在工件一致性较好的场景下，仍能获得高精度轨迹。

2.2 离线示教：虚拟环境中的路径规划

离线示教（Offline Teaching）利用专用仿真软件（如RobotStudio、RoboDK、DELMIA）在虚拟环境中建立机器人、工件、夹具的三维模型，通过鼠标拖拽或编程方式规划路径，生成运动指令后下载到真实机器人。这种方式不占用机器人本体时间，适合复杂路径规划、多机器人协同和节拍优化。

离线示教的适用条件与流程

离线示教的核心优势在于“不接触物理设备即可完成编程”。但前提是虚拟模型必须与真实环境高度一致，包括机器人运动学参数、工具尺寸、工件位置和周边障碍物。操作流程如下：

• 三维建模与布局：导入CAD模型，建立机器人、工具、工件、夹具、周边设备的精确位置关系。
• 路径规划与仿真：在虚拟环境中拖拽TCP或使用路径规划算法生成轨迹，检查可达性、奇异点、碰撞风险。
• 程序生成与后处理：仿真验证通过后，生成目标机器人控制器的代码文件（如.mod、.src）。
• 现场校准与补偿：下载程序后，通过激光跟踪仪或视觉系统测量真实TCP与虚拟TCP的偏差，进行坐标补偿。

2.3 拖动示教：力控驱动的直觉化编程

拖动示教（Drag Teaching）是力控拖动示教系统的核心。操作者直接握住机器人末端或专用拖动手柄，在空间内自由牵引机械臂运动，系统通过关节力矩传感器或电流环估算外力，实时计算重力矩、摩擦力矩和惯性力矩，并输出补偿力矩，使机器人呈现“零重力”或“低阻力”状态。操作者无需编程，即可“画”出期望轨迹，系统自动记录路径点及速度、力信息。

拖动示教的技术原理

拖动示教的核心是力矩控制。以六轴工业机器人为例，每个关节的动力学方程可简化为：

τ_motor = τ_gravity(q) + τ_friction(q̇) + τ_inertia(q, q̈) + τ_external

其中，τ_gravity为重力矩，τ_friction为摩擦力矩，τ_inertia为惯性力矩，τ_external为操作者施加的外力矩。拖动示教的目标是让τ_motor实时抵消前三项，使操作者感受到的阻力趋近于零。实际实现中，通常采用以下步骤：

1. 动力学参数辨识：通过离线辨识实验获取各连杆质量、质心位置、惯性张量、摩擦系数。
2. 实时力矩补偿：控制器以1kHz以上频率计算重力矩和摩擦力矩，并叠加到电流环指令中。
3. 外力估计与响应：通过关节力矩传感器或电流观测器估计外力矩，当外力超过阈值时，机器人进入拖动模式。
4. 轨迹记录与平滑：以固定周期（如10ms）记录关节角或笛卡尔位姿，并采用低通滤波或样条插值平滑轨迹。

实战场景：打磨轨迹的拖动示教

某卫浴五金厂需要对水龙头壳体进行去毛刺打磨，工件曲面复杂，传统在线示教需逐点记录上百个路径点，耗时约2小时。引入力控拖动示教后，操作者握住末端打磨工具，沿工件表面轻轻拖动，系统实时记录轨迹并同步采集接触力。由于拖动过程中操作者能直观感受打磨力，可即时调整下压力度，使轨迹更贴合实际工艺需求。最终，示教时间缩短至15分钟，且打磨力波动从±5N降低至±1.5N。该案例验证了拖动示教在复杂曲面力控场景中的显著优势。

2.4 示教器操作与安全规范

示教器是操作者与机器人交互的核心界面，其操作规范性直接关系到人身安全和设备安全。无论采用何种示教方式，都必须严格遵守以下安全规范。

示教器操作要点

• 使能开关（Deadman Switch）：三段式开关，轻按至中位为“使能”，重按或松开均触发急停。操作时保持手部稳定，避免因疲劳导致误触。
• 模式切换：手动模式（T1/T2）下速度受限，自动模式（AUT）下安全门锁必须闭合。严禁在自动模式下进行示教操作。
• 坐标系切换：示教前确认当前坐标系，避免在工具坐标系下误操作导致TCP快速移动。
• 速度倍率：初始示教时速度倍率调至10%以下，确认轨迹无误后再逐步提升。

安全规范清单