工業機器人運動軸與坐標系的確定
2021-6-25 來源： 威海職業學院 作者： 韓鴻鸞
1、 機器人運動軸
工業機器人在生產中，一般需要配備除了自身性能特點的外圍設備，如轉動工件的回轉臺，移動工件的移動臺等。這些外圍設備的運動和位置控制都需要與工業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，基座軸和工裝軸統稱外部軸。
常見工業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（移動滑臺或導軌）。工裝軸是除機器人軸、基座軸以外軸的總稱，指使工件、工裝夾具翻轉和回轉的軸，如回轉臺、翻轉臺等。實際生產中常用的是 6 關節工業機器人，該操作機有 6 個可活動的關節（軸）。常見工業機器人本體運動軸的定義附表與圖 1 為常見工業機器人本體運動軸的定義，值得注意的是，不同的工業機器人本體運動軸的定義也不同。用于保證末端執行器達到工作空間任意位置的軸稱為基本軸或主軸 ; 用于實現末端執行器任意空間姿態的軸，稱為腕部軸或次軸 ; 圖 2 是 YASKAWA 工業機器人各運動軸的關系。
圖 2 YASKAWA 工業機器人各運動軸的關系
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聯，同時這個坐標系也可能和另一個坐標系關聯。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，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。當由于機器人的構造不能實現此約定時，X1 軸的方向可由制造廠規定。
（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、副關節軸處于運動范圍的中間位置。當機器人構造不能實現此約定時，應由制造廠規定主關節軸位置。+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，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，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）和工件框架（與用戶框架相關）。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。對機器人進行編程就是在工件坐標系中創建目標和路徑，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是確定的。
（8）關節坐標系（J ointCoordinate System）用來描述機器人每個獨立關節的運動，關節類型可能不同（ 如移動關節、轉動關節等）。若將機器人末端移動到期望位置，在關節坐標系下操作，可以依次驅動各關節運動，從而引導機器人末端到達指定的位置。
4、結語
由于工業機器人品種眾多，每種工業機器人的坐標系也很多，其命名、確定方式雖然有標準，但是有的生產廠家又不按標準執行，各有各的叫法。在實際生產應用時就顯得非常混亂麻煩。本文詳細介紹了工業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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