工業(yè)機器人運動軸與坐標系的確定
2021-6-25 來源： 威海職業(yè)學院 作者： 韓鴻鸞
1、 機器人運動軸
工業(yè)機器人在生產(chǎn)中，一般需要配備除了自身性能特點的外圍設(shè)備，如轉(zhuǎn)動工件的回轉(zhuǎn)臺，移動工件的移動臺等。這些外圍設(shè)備的運動和位置控制都需要與工業(yè)機器人相配合并要求相應精度。通常機器人運動軸按其功能可劃分為機器人軸、基座軸和工裝軸，基座軸和工裝軸統(tǒng)稱外部軸。
常見工業(yè)機器人本體運動軸的定義
圖 1 典型機器人各運動軸
機器人軸是指操作本體的軸，屬于機器人本身，目前商用的工業(yè)機器人大多以 8 軸為主。基座軸是使機器人移動軸的總稱，主要指行走軸（移動滑臺或?qū)к墸９ぱb軸是除機器人軸、基座軸以外軸的總稱，指使工件、工裝夾具翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)的軸，如回轉(zhuǎn)臺、翻轉(zhuǎn)臺等。實際生產(chǎn)中常用的是 6 關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，該操作機有 6 個可活動的關(guān)節(jié)（軸）。常見工業(yè)機器人本體運動軸的定義附表與圖 1 為常見工業(yè)機器人本體運動軸的定義，值得注意的是，不同的工業(yè)機器人本體運動軸的定義也不同。用于保證末端執(zhí)行器達到工作空間任意位置的軸稱為基本軸或主軸 ; 用于實現(xiàn)末端執(zhí)行器任意空間姿態(tài)的軸，稱為腕部軸或次軸 ; 圖 2 是 YASKAWA 工業(yè)機器人各運動軸的關(guān)系。
圖 2 YASKAWA 工業(yè)機器人各運動軸的關(guān)系
2、 機器人坐標系確定
機器人程序中所有點的位置都和坐標系關(guān)聯(lián)，同時這個坐標系也可能和另一個坐標系關(guān)聯(lián)。機器人的各種坐標系都由正交的右手定則來決定，如圖 3 所示。當圍繞平行于 X 、Y 、Z 軸線的各軸旋轉(zhuǎn)時，分別定義為 A 、B 、C 。A 、B 、C 的正方向分別是 X 、Y 、Z 正方向上右手螺旋前進的方向（見圖 4）。
常用的坐標系是絕對坐標系、機座坐標系、機械接口坐標系和工具坐標系。
（1）絕對坐標系與機器人的運動無關(guān)，以地球為參照系的固定坐標系（見圖 5），符號為 O0、X0、Y0、Z0。原點 O0、+X0 軸由用戶根據(jù)需要來確定 ;+Z0 軸與重力加速度的矢量共線，但方向相反。
（2）機座坐標系是以機器人機座安裝平面為參照系的坐標系，符號為 O1、X1、Y1、Z1。原點 O1 由機器人制造廠規(guī)定 ;+Z1 軸垂直于機器人機座安裝面，指向機器人機體 ;X1 軸方向由原點指向機器人工作空間中心點 Cw（見 GB ／T12644—2001）在機座安裝面上的投影。當由于機器人的構(gòu)造不能實現(xiàn)此約定時，X1 軸的方向可由制造廠規(guī)定。
（3）機械接口坐標系是以機械接口為參照系，符號為 Om、Xm、Ym、Zm。原點 O m 是機械接口的中心 ;+Zm 軸的方向垂直于機械接口中心，并由此指向末端執(zhí)行器 ;+Xm 軸由機械接口平面和 X1、Z1 平面（或平行于 X1、Z1 的平面）的交線來定義，同時機器人的主、副關(guān)節(jié)軸處于運動范圍的中間位置。當機器人構(gòu)造不能實現(xiàn)此約定時，應由制造廠規(guī)定主關(guān)節(jié)軸位置。+Xm 軸的指向遠離 Z1 軸。
（4）工具坐標系以安裝在機械接口上的末端執(zhí)行器為參照系（見圖 6），符號為 Ot、Xt、Yt、Zt。原點 Ot 是工具中心點（TCP）;+Zt 軸與工具有關(guān)，通常是工具指向 ; 在平板式夾爪型夾持器夾持時，+Yt 是手指運動平面的方向。
3、工業(yè)機器人常用坐標系
（1）基坐標系（ BaseCoordinate System），又稱為機座坐標系，位于機器人基座。如圖 5 所示，它是最便于機器人從一個位置移動到另一個位置的坐標系。基坐標系在機器人基座中有相應的零點，這使固定安裝機器人的移動具有可預測性。在正常配置的機器人系統(tǒng)中，工人可通過控制桿進行該坐標系的移動。
（2）世界坐標系（WorldCoordinate System），又稱為大地坐標系或絕對坐標系。如果機器人安裝在地面，在基坐標系下示教編程很容易，但當機器人吊裝時，機器人末端移動直觀性差，因而示教編程較為困難。另外，如果兩臺或多臺機器人共同協(xié)作時，例如，一臺安裝于地面，另一臺倒置，倒置機器人的基坐標系也將上下顛倒（見圖 7）。當分別在兩臺機器人的基坐標系 A 、B中進行運動控制時，很難預測相互協(xié)作運動的情況。此時，可以定義一個共同的世界坐標系 C 取而代之。若無特殊說明，單臺機器人世界坐標系
和基坐標系是重合的。
圖 7 世界坐標系
（3）用戶坐標系（UserCoordinate System），機器人可以和不同的工作臺或夾具配合工作，在每個工作臺上建立一個用戶坐標系。機器人大部分采用示教編程的方式，步驟繁瑣，對于相同工件，若放置在不同工作臺進行操作，不必重新編程，只需相應地變換到當前用戶坐標系下。用戶坐標系在基坐標系或者世界坐標系下建立。
（4）工件坐標系（ObjectCoordinate System）與工件相關(guān)，通常最適于對機器人進行編程。工件坐標系對應工件，它定義工件相對于大地坐標系（或其他坐標系）的位置。
工件坐標系擁有特定附加屬性，主要用于簡化編程。他擁有兩個框架 : 用戶框架（與大地基座相關(guān)）和工件框架（與用戶框架相關(guān)）。機器人可以擁有若干工件坐標系，表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干狀態(tài)。對機器人進行編程就是在工件坐標系中創(chuàng)建目標和路徑，重新定位工作站中的工件時，只需更改工件坐標系的位置，所有路徑將隨之更新。允許操作以外軸或傳送導軌移動的工件，因為整個工件可連同其路徑一起移動。
（5）置換坐標系（Displacement CoordinateSystem）又稱為位移坐標系，有時需要對同一工件、同一段軌跡在不同工位上加工，為了避免每次重新編程，可以定義一個置換坐標系。置換坐標系基于工件坐標系定義。如圖 8 所示，當置
坐標系被激活后，程序中的所有點都將被置換。
（6）腕坐標系（WristCoordinate System）和工具坐標系都是用來定義工具方向的。在簡單應用中，腕坐標系可以定義為工具坐標系，兩者重合。腕坐標系的 Z 軸和機器人的第 6 根軸重合，如圖 9 所示，坐標系原點位于末端法蘭盤中心，X 軸方向與法蘭盤上標識孔的方向相同或相反，Z 軸垂直向外，Y 軸符合右手法則。
圖 8 置換坐標系
圖 9 腕坐標系
（7）工具坐標系（ToolCoordinate System）安裝在末端法蘭盤上的工具需要在其中心點（TCP）定義一個工具坐標系，通過坐標系的轉(zhuǎn)換，可以操作機器人在工具坐標系下運動，以方便操作。如果工具磨損或更換，只需重新定義工具坐標系，而不用更改程序。工具坐標系建立在腕坐標系下，即兩者之間的相對位置和姿態(tài)是確定的。
（8）關(guān)節(jié)坐標系（J ointCoordinate System）用來描述機器人每個獨立關(guān)節(jié)的運動，關(guān)節(jié)類型可能不同（ 如移動關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)等）。若將機器人末端移動到期望位置，在關(guān)節(jié)坐標系下操作，可以依次驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動，從而引導機器人末端到達指定的位置。
4、結(jié)語
由于工業(yè)機器人品種眾多，每種工業(yè)機器人的坐標系也很多，其命名、確定方式雖然有標準，但是有的生產(chǎn)廠家又不按標準執(zhí)行，各有各的叫法。在實際生產(chǎn)應用時就顯得非常混亂麻煩。本文詳細介紹了工業(yè)機器人坐標軸命名與常用坐標系的確定，以期對使用者有所幫助。
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