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工業機器人運動軸與坐（zuò）標係的（de）確定

2021-6-25 來源：威海職業學院作者：韓鴻（hóng）鸞

1、機器人運動軸

工業機器人在（zài）生產中（zhōng），一般需要配備除了自身性能特點（diǎn）的外圍設（shè）備，如轉動工件的回轉台，移動工件的（de）移動台等。這些外圍設備的運動和位置控製都需要（yào）與工業機器人相配合並要求相應（yīng）精度。通常機（jī）器人運動軸按其（qí）功能可劃分為機器（qì）人軸、基座軸和工裝軸，基座軸和工裝軸統稱外部軸（zhóu）。

常見工業機器人本體（tǐ）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，屬於機器人本身，目前商用的工業機器人（rén）大多以 8 軸（zhóu）為主（zhǔ）。基座軸是使（shǐ）機器人（rén）移動軸的總稱，主要指行（háng）走軸（移動（dòng）滑台或（huò）導軌）。工裝軸是除機器人軸、基座軸（zhóu）以外軸的總稱，指使工件、工（gōng）裝夾（jiá）具翻轉（zhuǎn）和回轉（zhuǎn）的軸（zhóu），如回轉（zhuǎn）台、翻轉台（tái）等。實際（jì）生產中常用的是（shì） 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（yè）機器（qì）人本體（tǐ）運動軸的定義附表與圖 1 為常見工業機器人（rén）本（běn）體運動軸的定義，值得注意的（de）是，不同的工（gōng）業機器人（rén）本體運動軸的定義也不（bú）同。用於保證末（mò）端（duān）執（zhí）行器達到工作空間任意（yì）位置的軸稱為（wéi）基本軸或主軸 ; 用（yòng）於實現末端執行器任意空間姿態的軸，稱為腕部軸或（huò）次軸 ; 圖 2 是 YASKAWA 工業機器人各運動軸的關係。

圖 2 YASKAWA 工業機器人各運動軸（zhóu）的（de）關係（xì）

2、機（jī）器人坐標係確定

機器人程序中所有點的位置都和坐標係關聯，同時這個坐標係也可能和另一個坐標係（xì）關（guān）聯。機（jī）器人（rén）的各種坐標係都由正交的右手定則來決定（dìng），如圖 3 所示。當圍繞平行於 X 、Y 、Z 軸線的各軸旋轉時，分別定（dìng）義為 A 、B 、C 。A 、B 、C 的正方向分別（bié）是 X 、Y 、Z 正方向上右手螺旋前進的方向（見圖 4）。

常用的（de）坐標（biāo）係是（shì）絕對坐標係、機座坐標（biāo）係（xì）、機械接口坐標係和工具坐（zuò）標係。

（1）絕（jué）對（duì）坐標係與（yǔ）機器人的運動無關（guān），以地球為參照係的固（gù）定坐（zuò）標係（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）機座坐標係是以機（jī）器人機座安裝平麵為參照係的坐（zuò）標係，符號為 O1、X1、Y1、Z1。原點 O1 由機器人製造廠規（guī）定 ;+Z1 軸垂直於機器人機座安（ān）裝麵，指向（xiàng）機器人機體 ;X1 軸方向由原點指向機器人工作空（kōng）間中心點 Cw（見 GB ／T12644—2001）在機座安裝麵上（shàng）的（de）投影。當由於機器人的構造不能實現此約定時，X1 軸的方向可（kě）由製造廠規定。

（3）機械接口坐（zuò）標係是以機械接口為參照係，符號為 Om、Xm、Ym、Zm。原點 O m 是機械（xiè）接口的中心 ;+Zm 軸的方向垂直於機械接口中心（xīn），並由此（cǐ）指向末端（duān）執行器 ;+Xm 軸由機械接（jiē）口平（píng）麵和 X1、Z1 平麵（或平行於 X1、Z1 的平麵）的交線來定義，同時機（jī）器人的主（zhǔ）、副關節軸處於運動範圍的中間位置。當機器人構造不能實現此約定時，應由製造廠規定主（zhǔ）關節軸位置。+Xm 軸的指向遠離 Z1 軸。

（4）工具坐標係以安裝在機械接口上的末端執行（háng）器（qì）為參照係（見圖 6），符號為 Ot、Xt、Yt、Zt。原點 Ot 是工具中（zhōng）心點（TCP）;+Zt 軸與工具有關，通常（cháng）是（shì）工具（jù）指向 ; 在平板式夾爪型夾持器夾（jiá）持時，+Yt 是手指（zhǐ）運動平麵的方向。

3、工（gōng）業機（jī）器人常用坐標係

（1）基坐標係（xì）（ BaseCoordinate System），又稱（chēng）為機座坐標係，位於機器人基座。如圖 5 所示，它是最便於機器人從一個位置移動到另一個位（wèi）置的坐標係。基坐標係在機器人基座中有相應的零點，這使固定安裝機器（qì）人的移（yí）動具有可（kě）預測性。在正（zhèng）常配置的機器人係統中，工人可通過控製杆（gǎn）進行該坐標係的移動（dòng）。

（2）世界（jiè）坐標係（WorldCoordinate System），又稱為大地坐標係（xì）或絕對（duì）坐（zuò）標係。如果機器人（rén）安裝在地（dì）麵，在基坐標係下示（shì）教編程很容易，但當機器人吊（diào）裝（zhuāng）時（shí），機器人末端移動直觀性差，因而示（shì）教編程較為困難。另外，如果兩台或多台機器人共同協作時，例如，一台安裝於地麵（miàn），另一台倒置，倒置（zhì）機器人（rén）的基坐標（biāo）係也將上下顛（diān）倒（見圖 7）。當分別在兩台機器人的基坐標係 A 、B中進行運動控製時，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係（xì） C 取而代之。若無特殊說（shuō）明，單台機器人世界坐標係

和基坐標係是重（chóng）合（hé）的。

圖 7 世界坐標係

（3）用戶坐標係（UserCoordinate System），機器人可以和不同的工作台或夾（jiá）具配合工作，在每個（gè）工作台上建立一個用戶坐標（biāo）係。機器人大部分采用示教編程的方式，步驟（zhòu）繁瑣，對於相同工件，若放置在不同工（gōng）作台進行操作，不必（bì）重新編程，隻需相應地變換到當前用戶坐標係下。用戶坐標（biāo）係在基坐標係或者世界坐標係下建立。

（4）工件坐標係（ObjectCoordinate System）與工件相關，通（tōng）常最適於對機器人（rén）進行編程。工件坐標係對應工件，它定義工件相對於（yú）大地坐標係（或其他坐標（biāo）係）的位置。

工件坐標係擁有（yǒu）特定（dìng）附加（jiā）屬性，主（zhǔ）要用於簡化編程。他擁有兩個框架 : 用戶框架（與大地基（jī）座相關）和工件框架（與用戶框架相關）。機器人可以擁（yōng）有（yǒu）若幹工件坐標（biāo）係，表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若（ruò）幹狀（zhuàng）態。對機器人進行編程就是在工件坐標係中創建目標和路徑，重（chóng）新定位工作站中的工件時，隻需更改工件坐標係的位置，所有路徑將（jiāng）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（gè）工件可連同其路徑（jìng）一起移動。

（5）置換坐（zuò）標係（Displacement CoordinateSystem）又稱為位移坐標係，有時需要對同一工件、同一段（duàn）軌跡在不同工位上加工（gōng），為了避免每次重新編程，可以定義（yì）一個（gè）置換坐標係。置換坐標係基於工件坐標（biāo）係定義（yì）。如圖 8 所示（shì），當置

坐標係被（bèi）激活後，程序中的所有（yǒu）點都將被置換。

（6）腕坐標係（WristCoordinate System）和工具坐標係都是用（yòng）來定義工具方向的。在簡單應用（yòng）中，腕坐標（biāo）係可以定義為工具坐（zuò）標係，兩者重合。腕坐標係的 Z 軸（zhóu）和機器人的第 6 根軸（zhóu）重合，如圖 9 所示，坐（zuò）標（biāo）係原點位於末端法蘭盤中心，X 軸方向與法（fǎ）蘭盤（pán）上標識孔的方向相同或相反，Z 軸垂直向外，Y 軸符合右（yòu）手法則。

圖（tú） 8 置換坐標係

圖 9 腕坐標（biāo）係

（7）工具坐標係（ToolCoordinate System）安裝（zhuāng）在末（mò）端法蘭盤上的工具需要在其中心點（TCP）定義一個工具坐標係，通過坐標係的轉換，可（kě）以操作機器人在工具坐標（biāo）係下運動，以方便操作。如果工具磨損或更換，隻需重新定義工具坐標係，而不用更改程序。工具坐標係建立在腕坐標係下，即（jí）兩者（zhě）之間（jiān）的相對位置和姿態是（shì）確定（dìng）的。

（8）關節坐標係（J ointCoordinate System）用來描述機器人每個獨立關節的運動，關節類型（xíng）可能不同（如移動關（guān）節、轉（zhuǎn）動關節等）。若將機器人末端移動到期望位置，在關節坐標係（xì）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

由於工業機器人品種（zhǒng）眾多，每種工業機（jī）器人的坐標係也很多，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（gè）有各的叫法。在實際生產應用時就顯得非常混亂麻煩（fán）。本文（wén）詳細介紹了工業機器人坐標軸命名與常用坐標係的（de）確定，以期對使用者有所幫助。

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