機(jī)器人百科：什么是坐標(biāo)系？介紹工業(yè)機(jī)器人常用的八種坐標(biāo)系

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系、工業(yè)機(jī)器人軸、坐標(biāo)系

坐標(biāo)系，是理科常用輔助方法，常見(jiàn)有直線坐標(biāo)系，平面直角坐標(biāo)系。為了說(shuō)明質(zhì)點(diǎn)的位置、運(yùn)動(dòng)的快慢、方向等，必須選取其坐標(biāo)系。在參照系中，為確定空間一點(diǎn)的位置，按規(guī)定方法選取的有次序的一組數(shù)據(jù)，這就叫做“坐標(biāo)”。在某一問(wèn)題中規(guī)定坐標(biāo)的方法，就是該問(wèn)題所用的坐標(biāo)系。

坐標(biāo)系是為確定機(jī)器人的位置和姿態(tài)而在機(jī)器人或空間上進(jìn)行定義的位置指標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)系分為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系。

機(jī)器人坐標(biāo)系確定

機(jī)器人程序中所有點(diǎn)的位置都和坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，同時(shí)這個(gè)坐標(biāo)系也可能和另一個(gè)坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)。

機(jī)器人的各種坐標(biāo)系都由正交的右手定則來(lái)決定，如圖3所示。當(dāng)圍繞平行于X 、Y 、Z 軸線的各軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jìn)的方向（見(jiàn)圖4）。

右手坐標(biāo)系

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

常用的坐標(biāo)系是絕對(duì)坐標(biāo)系、機(jī)座坐標(biāo)系、機(jī)械接口坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系。

一、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是設(shè)定在機(jī)器人關(guān)節(jié)中的坐標(biāo)系。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中機(jī)器人的位置和姿態(tài)，以各關(guān)節(jié)底座側(cè)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)而確定。

J1:0° J2:0° J3:0° J4:0° J5:0° J6:0°

下圖1中的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的關(guān)節(jié)值為：

坐標(biāo)系示例

工具坐標(biāo)系

二、工業(yè)機(jī)器人直角坐標(biāo)系

直角坐標(biāo)系中的機(jī)器人的位置和姿態(tài)，通過(guò)從空間上的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)到工具側(cè)的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)（工具中心點(diǎn)）的坐標(biāo)值x、y、z和空間上的直角坐標(biāo)系的相對(duì)X軸、Y軸、Z軸周圍的工具側(cè)的直角坐標(biāo)系的回轉(zhuǎn)角w、p、r予以定義。下圖2為（w、p、r）的含義。

三、工業(yè)機(jī)器人世界坐標(biāo)系

世界坐標(biāo)系是被固定在空間上的標(biāo)準(zhǔn)直角坐標(biāo)系，其被固定在由機(jī)器人事先確定的位置。用戶坐標(biāo)系是基于該坐標(biāo)系而設(shè)定的。它用于位置數(shù)據(jù)的示教和執(zhí)行。有關(guān)各機(jī)器人（R系列/M系列/ARC Mate/LR Mate）的世界坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的大致標(biāo)準(zhǔn)為：

① 頂?shù)醢惭b機(jī)器人、M-710iC以外：在J1軸上水平移動(dòng)J2軸而交叉的位置。

② 頂?shù)醢惭b機(jī)器人、M-710iC：J1軸處于0位時(shí)，離開(kāi)J4軸最近的J1軸上的點(diǎn)。

世界坐標(biāo)系

四、工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系

這是用來(lái)定義工具中心點(diǎn)（TCP）的位置和工具姿態(tài)的坐標(biāo)系。工具坐標(biāo)系必須事先進(jìn)行設(shè)定。在沒(méi)有定義的時(shí)候，將由默認(rèn)工具坐標(biāo)系來(lái)替代該坐標(biāo)系。

五、工業(yè)機(jī)器人用戶坐標(biāo)系

這是用戶對(duì)每個(gè)作業(yè)空間進(jìn)行定義的直角坐標(biāo)系。它用于位置寄存器的示教和執(zhí)行、位置補(bǔ)償指令的執(zhí)行等。在沒(méi)有定義的時(shí)候，將由世界坐標(biāo)系來(lái)替代該坐標(biāo)系。

六、什么是工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系？

坐標(biāo)系：為確定機(jī)器人的位置和姿態(tài)而在機(jī)器人或空間上進(jìn)行的位置指標(biāo)系統(tǒng)。

坐標(biāo)系包含：基坐標(biāo)系（Base Coordinate System）、大地坐標(biāo)系（World Coordinate System）、工具坐標(biāo)系（Tool Coordinate System）、工件坐標(biāo)系（Work Object Coordinate System）。

七、工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系

機(jī)器人工具座標(biāo)系是由工具中心點(diǎn) TCP 與座標(biāo)方位組成。

機(jī)器人聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，TCP 是必需的。

1、 Reorient 重定位運(yùn)動(dòng)（姿態(tài)運(yùn)動(dòng)）機(jī)器人 TCP 位置不變，機(jī)器人工具沿座標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，改變姿態(tài)。

2、Linear 線性運(yùn)動(dòng)機(jī)器人工具姿態(tài)不變，機(jī)器人 TCP 沿座標(biāo)軸線性移動(dòng)。

機(jī)器人程序支持多個(gè) TCP，可以根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行變換。

機(jī)器人工具被更換，重新定義 TCP 后，可以不更改程序，直接運(yùn)行。

3、定義工具坐標(biāo)系的方法：

①N（N＞＝4）點(diǎn)法／TCP法－機(jī)器人 TCP 通過(guò)N種不同姿態(tài)同某定點(diǎn)相碰，得出多組解，通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)前 TCP 與機(jī)器人手腕中心點(diǎn) （ tool0 ） 相應(yīng)位置，座標(biāo)系方向與 tool0 一致。

②TCP＆Z法－在N點(diǎn)法基礎(chǔ)上，Z點(diǎn)與定點(diǎn)連線為座標(biāo)系 Z 方向。

③TCP＆X，Z法－在N點(diǎn)法基礎(chǔ)上，X點(diǎn)與定點(diǎn)連線為座標(biāo)系 X 方向，Z點(diǎn)與定點(diǎn)連線為座標(biāo)系 Z 方向。

八、工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系

機(jī)器人工件座標(biāo)系是由工件原點(diǎn)與座標(biāo)方位組成。

機(jī)器人程序支持多個(gè) Wobj，可以根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行變換。

外部夾具被更換，重新定義 Wobj 后，可以不更改程序，直接運(yùn)行。

通過(guò)重新定義 Wobj，可以簡(jiǎn)便的完成一個(gè)程序適合多臺(tái)機(jī)器人。

1、定義工件坐標(biāo)系的方法：

三點(diǎn)法－點(diǎn) X1 與 點(diǎn) X2 連線組成 X 軸，通過(guò)點(diǎn) Y1 向 X 軸作的垂直線，為 Y 軸。

2、工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系（Obje c tCoordinate System）與工件相關(guān)，通常最適于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編圖2 世界坐標(biāo)系程。工件坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)工件，它定義工件相對(duì)于大地坐標(biāo)系（或其他坐標(biāo)系）的位置。

3、工業(yè)機(jī)器人置換坐標(biāo)系（Displacement CoordinateSystem）又稱為位移坐標(biāo)系，有時(shí)需要對(duì)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(gè)置換坐標(biāo)系。置換坐標(biāo)系基于工件坐標(biāo)系定義。如圖3所示，當(dāng)置換坐標(biāo)系被激活后，程序中的所有點(diǎn)都將被置換。

4、工業(yè)機(jī)器人腕坐標(biāo)系（WristCoordinate System）和工具坐標(biāo)系都是用來(lái)定義工具方向的。在簡(jiǎn)單應(yīng)用中，腕坐標(biāo)系可以定義為工具坐標(biāo)系，兩者重合。腕坐標(biāo)系的Z 軸和機(jī)器人的第6根軸重合，如圖4所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于末端法蘭盤中心，X 軸方向與圖3 置換坐標(biāo)系圖4 腕坐標(biāo)系法蘭盤上標(biāo)識(shí)孔的方向相同或相反，Z 軸垂直向外，Y 軸符合右手法則。

5、工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系（ToolCoordinate System）安裝在末端法蘭盤上的工具需要在其中心點(diǎn)（TCP）定義一個(gè)工具坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，可以操作機(jī)器人在工具坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)，以方便操作。如果工具磨損或更換，只需重新定義工具坐標(biāo)系，而不用更改程序。工具坐標(biāo)系建立在腕坐標(biāo)系下，即兩者之間的相對(duì)位置和姿態(tài)是確定的。

腕坐標(biāo)系

6、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系（Join tCoordinate System）用來(lái)描述機(jī)器人每個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)類型可能不同（ 如移動(dòng)關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)等）。若將機(jī)器人末端移動(dòng)到期望位置，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下操作，可以依次驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而引導(dǎo)機(jī)器人末端到達(dá)指定的位置。

九、工業(yè)機(jī)器人軸和坐標(biāo)系概述

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中，一般需要配備除了自身性能特點(diǎn)的外圍設(shè)備，如轉(zhuǎn)動(dòng)工件的回轉(zhuǎn)臺(tái)，移動(dòng)工件的移動(dòng)臺(tái)等。這些外圍設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和位置控制都需要與工業(yè)機(jī)器人相配合并要求相應(yīng)精度。通常機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸按其功能可劃分為機(jī)器人軸、基座軸和工裝軸，基座軸和工裝軸統(tǒng)稱外部軸。

機(jī)器人軸是指操作本體的軸，屬于機(jī)器人本身，目前商用的工業(yè)機(jī)器人大多以8軸為主�；�座軸是使機(jī)器人移動(dòng)軸的總稱，主要指行走軸（ 移動(dòng)滑臺(tái)或?qū)к墸�。工裝軸是除機(jī)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(tái)、翻轉(zhuǎn)臺(tái)等。實(shí)際生產(chǎn)中常用的是6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，該操作機(jī)有6個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)（軸）。附表與圖1為常見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軸的定義，值得注意的是，不同的工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軸的定義也不同。用于保證末端執(zhí)行器達(dá)到工作空間任意位置的軸稱為基本軸或主軸；用于實(shí)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(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系。

圖1 典型機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸

圖2 YASKAWA工業(yè)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系

1、工業(yè)機(jī)器人軸的定義

①工業(yè)機(jī)器人軸可以為旋轉(zhuǎn)軸也可以為平移軸，軸的運(yùn)行方式由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。

②工業(yè)機(jī)器人軸分為機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)軸和外部軸。

③工業(yè)機(jī)器人外部軸又分為滑臺(tái)和變位機(jī)。

④如果不特別指明，工業(yè)機(jī)器人軸即指機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)軸。

2、機(jī)器人坐標(biāo)系的種類

在示教模式下，機(jī)器人軸運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前選擇的坐標(biāo)系有關(guān)。

①關(guān)節(jié)坐標(biāo)系：機(jī)器人各軸進(jìn)行單獨(dú)動(dòng)作，稱為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。

②直角坐標(biāo)系：機(jī)器人的控制中心點(diǎn)沿設(shè)定的X、Y、Z 方向運(yùn)行。

③工具坐標(biāo)系：工具坐標(biāo)系位于機(jī)器人腕法蘭盤的夾具上，由用戶自己定義。夾具的有效方向定義為工具坐標(biāo)系的Z 軸。

④用戶坐標(biāo)系：用戶坐標(biāo)系位于機(jī)器人抓取的工件上，由用戶自己定義。

十、機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的區(qū)別

1、性質(zhì)不同

①工件坐標(biāo)系：編程時(shí)使用的坐標(biāo)系。

②機(jī)床坐標(biāo)系：以機(jī)床原點(diǎn)O為坐標(biāo)系原點(diǎn)并遵循右手笛卡爾直角坐標(biāo)系建立的由X、Y、Z軸組成的直角坐標(biāo)系。

2、建立方法不同

①工件坐標(biāo)系建立方法：通過(guò)機(jī)床操作面板手動(dòng)輸入到數(shù)控車床相應(yīng)的刀具補(bǔ)償單元。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)該位置預(yù)設(shè)的坐標(biāo)值，通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，使機(jī)床坐標(biāo)系o的原點(diǎn)偏移到所需工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。這樣就建立了一個(gè)以O(shè)為原點(diǎn)的工件坐標(biāo)系。

②機(jī)床坐標(biāo)系建立方法：

（1）先確定Z軸。

（2）再確定X軸。（X軸始終水平，且平行于工件裝夾面）

（3）最后確定Y軸。按右手笛卡兒直角坐標(biāo)系確定。

十一、結(jié)語(yǔ)

坐標(biāo)系的種類很多，常用的坐標(biāo)系有：笛卡爾直角坐標(biāo)系、平面極坐標(biāo)系、柱面坐標(biāo)系（或稱柱坐標(biāo)系）和球面坐標(biāo)系(或稱球坐標(biāo)系)等。中學(xué)物理學(xué)中常用的坐標(biāo)系，為直角坐標(biāo)系，或稱為正交坐標(biāo)系。

從廣義上講：事物的一切抽象概念都是參照于其所屬的坐標(biāo)系存在的，同一個(gè)事物在不同的坐標(biāo)系中就會(huì)有不同抽象概念來(lái)表示，坐標(biāo)系表達(dá)的事物有聯(lián)系的抽象概念的數(shù)量【既坐標(biāo)軸的數(shù)量】就是該事物所處空間的維度。

兩件能相互改變的事物必須在同坐標(biāo)系中。

本文詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)軸命名與常用坐標(biāo)系的確定，以期對(duì)使用者有所幫助。由于工業(yè)機(jī)器人品種眾多，每種工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系也很多，其命名、確定方式雖然有標(biāo)準(zhǔn)，但是有的生產(chǎn)廠家又不按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，各有各的叫法。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)就顯得非�；靵y麻煩。歡迎補(bǔ)充留言！