機器人的運動軸和坐標系

1、工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用 手動操縱工業(yè)機器人 主 編：蘭 虎 課前回顧 所 處 位 置 工業(yè)機器人的主要技術(shù)指標有哪些？工業(yè)機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動？【 課 前 回 顧 】 章節(jié)目錄 3.1 機器人運動軸與坐標系 3.1.1 機器人運動軸的名稱 3.1.2 機器人坐標系的種類 3.2 認識和使用示教器 思考練習 學(xué)習目標 導(dǎo)入案例 擴展與提高 課堂認知 3.3 機器人安全操作規(guī)程 3.3.1 示教和手動機器人時 3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 返回 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 目錄 本章小結(jié) 學(xué)習目標 所 處 位 置 能夠熟練進行機器人坐標

2、系和運動軸的選擇 【 學(xué) 習 目 標 掌握機器人運動軸與坐標系 】 返回 目錄 認知目標認知目標能力目標能力目標導(dǎo)入案例 所 處 Universal Robots 公司推出革命性的新型工業(yè)機器人 位 置 UR5 機器人自重很輕（僅 18.4 kg ），可以方便地在生產(chǎn)場地移動，而且不需要繁瑣的安裝與設(shè)置就可以迅速地融入到生產(chǎn)線中，與員工交互合作。編程過程可通過教學(xué)編程模式實現(xiàn)，用戶可以扶住 UR 機械臂，手動引導(dǎo)機械臂，按所需的路徑及移動模式運行機械臂一次， UR 機器人就能自動記住移動路徑和模式。機器人通過一套獨特的、友好的圖形用戶界面操作，在觸摸屏幕上，有一系列范圍廣泛的功能讓用戶選擇。任

3、何重復(fù)性的生產(chǎn)過程，都能夠使用它并從中受益。 【 導(dǎo) 入 案 例 】 3.1 機器人運動軸與坐標系 3.1.1 機器人運動軸的名稱 所 處 位 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 。 置 【 機器人操作機（本體）的軸，屬 課 機器人軸 機器人操作機（本機）的軸，屬于機器人本身。 堂 認 知 】 基座軸 工裝軸 機器人整體移動的軸，如行走軸（滑移平臺或?qū)к墸?機器人軸和基座軸以外的軸，指使工裝夾具翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)的軸機器人系統(tǒng)中各個運動軸的定義 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 AB

4、B 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 3.1 機器人運動軸與坐標系 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 A1 、 A2 和 A3 三軸（軸 1 、軸 2 和軸 3 ）稱為基本軸或主軸， 用以保證末端執(zhí)行器達到工作空間的任意位置。 A4 、 A5 和 A6 三軸（軸 4 、軸 5 和軸 6 ）稱為腕部軸或次軸， 用以實現(xiàn)末端執(zhí)行器的任意空間姿態(tài)。 3.1.2 機器人坐標系的種類 所 目前，大部分商用工業(yè)機器人系統(tǒng)中，均可使用關(guān)節(jié)坐標系、直角坐標系、工具坐標系和用戶坐標系， 而工具坐標系和用戶坐標系同屬于直角坐標系范疇 。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 關(guān)節(jié)坐標系 機器

5、人坐 工具坐標系 標系種類 直角坐標系 用戶坐標系 TCP 為機器人系統(tǒng)控制點，出廠是默認位于最后一個運動軸或安裝法蘭的中心，安裝工具后 TCP 點將發(fā)生改變。 所 (1) 關(guān)節(jié)坐標系 在關(guān)節(jié)坐標系下，機器人各軸均可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。對大范圍運動，且不要求 TCP 姿態(tài)的，可選擇關(guān)節(jié)坐標系。 處 位 置 軸名稱 軸類型 動作說明 動作圖示 ABB FANUC YASKAWA KUKA 【 本體 課 軸 1 S 軸 J1 A1 左右回轉(zhuǎn) 堂 認 知 主軸 （基本軸） 大臂 軸 2 L 軸 J2 A2 】 上下運動 小臂 軸 3 U 軸 J3 A3 前后運動 手腕 軸 4 R 軸 J4 A4

6、 回旋運動 次軸 手腕 軸 5 B 軸 J5 A5 上下擺運動 （腕部軸） 手腕 軸 6 T 軸 J6 A6 圓周運動 所 (2) 直角坐標系（世界坐標系、大地坐標系） 機器人示教與編程時經(jīng)常使用的坐標系之一的坐標系之一 ，原點定義，原點定義在機器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動軸的交點處，在機器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動軸的交點處， X 軸向前，軸向前， Z軸向上， Y 軸按右手法則確定。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 Z X Y 直角坐標系原點 所 直角坐標系下的各軸動作 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 軸軸 動作動作 軸軸 動作動作 軸類型軸類型 動作圖示動作圖示 軸類型軸類型 動作圖示動作圖示 名

7、稱名稱 說明說明 名稱名稱 說明說明 沿沿 X X 軸平軸平 X X 軸軸 U U 軸軸 繞繞 Z Z 軸軸 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 行移動行移動 主軸主軸 次軸次軸 沿沿 Y Y 軸平軸平 Y Y 軸軸 V V 軸軸 繞繞 Y Y 軸軸 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) （基本軸（基本軸 ）（腕部（腕部 行移動行移動 軸）軸） 繞末端工繞末端工 沿沿 Z Z 軸平軸平 行移動行移動 Z Z 軸軸 W W 軸軸 具所指方具所指方 向旋轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn) Z X Y 沿沿 X X 軸平行移動軸平行移動 Z X Y 沿沿 Y Y 軸平行移動軸平行移動 所 (3) 工具坐標系 原點定義在 TCP 點，并且假定工具的有效方向為 X 軸（有些機器人廠

8、商將工具的有效方向定義為 Z 軸），而 Y 軸、 Z 軸由右手法則確定。 在進行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用該坐標系最為適宜。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 Y X Z 工具坐標系原點 工具坐標系下的各軸動作 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 軸 動作 軸 動作 軸類型 動作圖示 軸類型 動作圖示 名稱 說明 名稱 說明 沿 X 軸平 X 軸 Rx 軸 繞 X 軸 旋轉(zhuǎn) 行移動 主軸 次軸 沿 Y 軸平 Y 軸 Ry 軸 繞 Y 軸 旋轉(zhuǎn) （基本軸） （腕部軸） 行移動 沿 Z 軸平Z 軸 Rz 軸 繞 Z 軸 旋轉(zhuǎn) 行移動 Z Y X 所 處 (4) 用戶坐標系 可根

9、據(jù)需要定義用戶坐標系。 當機器人配備多個工作臺時，選擇用戶坐標系可使操作更為簡單 。在用戶坐標系中， TCP 點將沿用戶自定義的坐標軸方向運動。 位 置 【 課 堂 認 知 】 用戶坐標系原點 用戶坐標系下的各軸動作 軸 動作 軸 動作 軸類型 動作圖示 軸類型 動作圖示 名稱 說明 名稱 說明 沿 X 軸平 X 軸 Rx 軸 繞 X 軸 旋轉(zhuǎn) 行移動 主軸 次軸 沿 Y 軸平 Y 軸 Ry 軸 繞 Y 軸 旋轉(zhuǎn) （基本軸） （腕部軸） 行移動 沿 Z 軸平Z 軸 Rz 軸 繞 Z 軸 旋轉(zhuǎn) 行移動 3.1 機器人運動軸與坐標系 不同的機器人坐標系功能等同，即機器人在關(guān)節(jié)坐標系下完成的動作，同

10、樣可在直角坐標系下實現(xiàn)。 所 處 位 提示 機器人在關(guān)節(jié)坐標系下的動作是單軸運動，而在直角坐標系下則是多軸聯(lián)動。除關(guān)節(jié)坐標系以外，其他坐標系均可實現(xiàn)控制點不變動作（只改變工具姿態(tài)而不改變 TCP 位置）在進行機器人 TCP 標定時經(jīng)常用到。 置 【 課 堂 認 知 】 動作前 動作后 關(guān)節(jié)坐標系下的單軸運動 直角坐標系下的多軸協(xié)調(diào)運動 動作后 動作中 動作前 動作中 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸

11、 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸 3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 A5 軸軸 5 A4 軸軸 4 A6 A3 軸軸

12、3 軸軸 6 A2 軸軸 2 A1 軸軸 1 ABB 機器人 KUKA 機器人 典型機器人操作機各運動軸 3.2 認識和使用示教器 所 處 位 置 【 課 堂 KUKA smartPAD ABB FlexPendant 認 知 】 YASKAWA DX100 FANUC iPendant 返回 目錄 工業(yè)機器人行業(yè)四巨頭的最新示教器產(chǎn)品 16/34 3.2 認識和使用示教器 示教器主要由 顯示屏 和各種操作 按鍵 組成，顯示屏主要有 4 個顯示區(qū)組成。 所 處 位 置 菜單顯示區(qū) 顯示操作屏主菜單和子菜單。 通用顯示區(qū) 在通用顯示區(qū)，可對作業(yè)程序、特性文件、各種設(shè)定進行顯 【 課 示和編輯。

13、堂 認 知 狀態(tài)顯示區(qū) 顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)，如動作坐標系、機器人移動速度等。顯 】 示的信息根據(jù)控制柜的模式（示教或再現(xiàn)）不同而改變。 人機對話顯示區(qū) 在機器人示教或自動運行過程中，顯示功能圖標以及系 統(tǒng)錯誤信息等。 返回 目錄 17/34 3.2 認識和使用示教器 示教器按鍵設(shè)置主要包括【急停鍵】、【安全開關(guān)】、【坐標選擇鍵】、【 軸操作鍵】 / 【 Jog 鍵】、【速度鍵】、【光標鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】 所 處 等。 位 置 序號 按鍵名稱 按鍵功能 通過切斷伺服電源立刻停止機器人和外部軸操作。 急停鍵 一旦按下，開關(guān)保持緊急停止狀態(tài)；順時針方向旋轉(zhuǎn)解除緊急停止狀態(tài) 【 1 課 。

14、堂 在操作時確保操作者的安全。 認 只有安全開關(guān)被按到適中位置，伺服電源才能，機器人方可動作。 安全開關(guān) 知 2 】 一旦松開或按緊，切斷伺服電源，機器人立即停止運動。 手動操作時，機器人的動作坐標選擇鍵。 可在關(guān)節(jié)、直角、工具和用戶等常見坐標系中選擇。 坐標選擇鍵 3 此鍵每按一次，坐標系變化一次。 對機器人各軸進行操作的鍵。 只有按住軸操作鍵，機器人才可動作。 軸操作鍵 4 可以按住兩個或更多的鍵，操作多個軸。 速度鍵 手動操作時，用這些鍵來調(diào)整機器人的運動速度。 5 光標鍵 使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動光標。 6 功能鍵 使用這些鍵可根據(jù)屏幕顯示執(zhí)行指定的功能和操作。 7 返回 選

15、擇機器人控制柜的模式（示教模式、再現(xiàn) / 自動模式、遠程 / 遙控模式等 目錄 模式旋鈕 8 ）。 18/34 3.3 機器人安全操作規(guī)程 3.3.1 示教和手動機器人時 所 處 位 1 ）禁止用力搖晃機械臂及在機械臂上懸掛重物。 置 2 ）示教時請勿戴手套。穿戴和使用規(guī)定的工作服、安全鞋、安全帽、保護用具等 3 ）未經(jīng)許可不能擅自進入機器人工作區(qū)域。調(diào)試人員進入機器人工作區(qū)域時， 需 【 隨身攜帶示教器，以防他人誤操作。 課 堂 4 ）示教前，需仔細確認示教器的安全保護裝置是否能夠正確工作，如【急停鍵】、 認 【安全開關(guān)】等。 知 】 5 ）在手動操作機器人時要采用較低的倍率速度以增加對機器

16、人的控制機會。 6 ）在按下示教器上的【軸操作鍵】之前要考慮到機器人的運動趨勢。 7 ）要預(yù)先考慮好避讓機器人的運動軌跡，并確認該路徑不受干涉。 8 ）在察覺到有危險時，立即按下【急停鍵】，停止機器人運轉(zhuǎn)。 返回 目錄 19/34 3.3 機器人安全操作規(guī)程 3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時 所 處 1 ）機器人處于自動模式時，嚴禁進入機器人本體動作范圍內(nèi)。 位 置 2 ）在運行作業(yè)程序前，須知道機器人根據(jù)所編程序?qū)⒁獔?zhí)行的全部任務(wù)。 3 ）使用由其他系統(tǒng)編制的作業(yè)程序時，要先跟蹤一遍確認動作，之后再使用該程序。 【 課 堂 4 ）須知道所有會左右機器人移動的開關(guān)、傳感器和控制信號的位置和狀態(tài)。

17、認 知 】 5 ）必須知道機器人控制器和外圍控制設(shè)備上的【急停鍵】的位置，準備在緊急情況 下按下這些按鈕。 6 ）永遠不要認為機器人沒有移動，其程序就已經(jīng)完成，此時機器人很可能是在等 待讓它繼續(xù)移動的輸入信號。 返回 目錄 20/34 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 所 處 位 (1) 點動 置 點動機器人就是點按 / 微動【軸操作鍵】來移動機器人手臂的方式。每 點按或微動【軸操作鍵】一次機器人移動一段距離。 點動機器人主要用在 示教時離目標位置較近的場合。 【 課 堂 認 知 】 返回 目錄 點動機器人 21/34 3.4 手動移動機器人 3.4.1 移動方式 所 處 位 (2

18、) 連續(xù)移動 置 連續(xù)移動機器人則是長按 / 撥動【軸操作鍵】來移動機器人手臂的方式。 連續(xù) 移動機器人主要用在示教時離目標位置較遠的場合 。 【 課 堂 認 知 】 返回 連續(xù)移動機器人 目錄 22/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 1 ) 關(guān)節(jié)坐標系 位 置 關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機 A 工位機器人手動示教 選擇關(guān)節(jié)坐標系 移動 機器人到 B 工位 / 旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)機 B 工位機器人手動示教。 【 課 堂 認 知 】 工位工位 B 工位工位 B 工位工位 A 工位工位 A 雙工位操作 雙工位 + 變位機操作 機器人外部軸的運動控制，只能在關(guān)節(jié)坐標系下進

19、行。 返回 提示 目錄 23/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 2 ) 直角坐標系 位 置 關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機 選擇關(guān)節(jié)坐標系 變換末端工具姿態(tài)至作業(yè)姿態(tài) 選擇直角坐標系 移動機器人至直線軌跡的開始點 選擇直角坐標系的 Y 軸 移動 機器人至直線軌跡的結(jié)束點。 【 課 堂 認 運動軌跡 知 】 z y x 機器人直線運動軌跡 返回 目錄 24/34 3.4 手動移動機器人 3.4.2 典型坐標系下的手動操作 所 處 ( 3 ) 工具坐標系 位 置 關(guān)鍵步驟： 選擇直角坐標系 移動機器人到作業(yè)軌跡的結(jié)束點 選擇工 具坐標系的 X 軸 移動機器人到一

20、個安全位置。 【 課 堂 認 動作后 知 動作前 】 末端工具規(guī)避動作 若設(shè)定工具的有效方向為工具坐標系的 Z 軸，此時末端工具規(guī)避 返回 提示 目錄 動作應(yīng)選 Z 軸進行操作。 25/34 3.4 手動移動機器人 手動移動機器人運動，其基本操作流程可歸納：示教前的準備和手動移動機器人 所 。需要注意的是，手動操作機器人移動時，機器人運動數(shù)據(jù)將不被保存。 處 位 開 始 置 裝夾工件 依次順序閉合電源設(shè)備開關(guān) 示 【 打開機器人附屬作業(yè)系統(tǒng)電源 系統(tǒng)上電開機 教 課 前 堂 打開機器人控制柜電源 的 認 準 登錄系統(tǒng) 備 知 （輸入用戶 ID 與口令） 】 選擇“示教”模式 輕握【 安全開關(guān)

21、】接通 伺服電源 手 選擇機器人動作模式 動 移 設(shè)定機器人手動速度 動 手動操縱機器人 機 選擇合適的機器人坐標系 器 人 使用【 軸操作鍵 】選擇運動軸 移動機器人到目標位置 返回 結(jié) 束 目錄 手動移動機器人操作流程 26/34 點動/步進連續(xù)移動單軸運動多軸協(xié)調(diào)機器人 TCP （工具中心點）標定 工具坐標系的準確度直接影響機器人的軌跡精度。默認工具坐標系的原點 所 處 位于機器人安裝法蘭的中心，當接裝不同的工具（如焊槍）時，工具需獲得一 位 個用戶定義的直角坐標系。 置 【 擴 展 與 提 高 】 b) TCP 標定 a) 未 TCP 標定 返回 機器人工具坐標系的標定 目錄 27/3

22、4 機器人 TCP （工具中心點）標定 所 目前，機器人工具坐標系的標定方法主要有 外部基準法 和 多點標定法 。 處 位 (1) 外部基準標定法 只需要使工具對準某一測定好的外部基準點，便可完成標定 置 ，標定過程快捷簡便。但這類標定方法依賴于機器人外部基準。 (2) 多點標定法 這類標定包含工具中心點（ TCP ）位置多點標定和工具坐標系（ 【 TCF ）姿態(tài)多點標定。 TCP 位置標定是使幾個標定點 TCP 位置重合，從而計算出 擴 展 TCP ，如四點法； TCF 姿態(tài)標定是使幾個標定點之間具有特殊的方位關(guān)系，從而計 與 算出工具坐標系相對于末端關(guān)節(jié)坐標系的姿態(tài)，如五點法、六點法。 提

23、 高 TCP 六點法操作步驟： 】 1 ）在機器人動作范圍內(nèi)找一個精確的固定點作為參考點。 2 ）在工具上確定一個參考點（最好是工具中心點 TCP ）。 3 ）移動工具參考點，以四種不同的工具姿態(tài)盡可能與固定點剛好碰上。 4 ）機器人控制柜通過前 4 個點的位置數(shù)據(jù)即可計算出 TCP 的位置，通過后 2 個點 即可確定 TCP 的姿態(tài)。 5 ）根據(jù)實際情況設(shè)定工具的質(zhì)量和重心位置數(shù)據(jù)。 返回 目錄 28/34 機器人 TCP （工具中心點）標定 所 處 位 置 【 a) 位置點 1 b) 位置點 2 c) 位置點 3 擴 展 與 提 高 z x 】 d) 位置點 4 e) 位置點 5 f) 位

24、置點 6 TCP 標定過程 TCP 標定操作要以次軸（腕部軸）為主。 在參考點附近要降低速度，以免相撞。 TCP 標定后，可通過在關(guān)節(jié)坐標系以外的坐標系中進行控 提示 返回 目錄 制點不變動作檢驗標定效果。 29/34 機器人 TCP （工具中心點）標定 如果使用搬運類的夾具，其 TCP 設(shè)定方法如下： 所 處 位 以搬運物料袋的夾緊爪為例，其結(jié)構(gòu)對稱，重心在默認工具坐標系的 Z 方向偏移 置 一定距離，可在設(shè)置頁面直接手動輸入偏移量數(shù)值、質(zhì)量數(shù)據(jù)。 【 TCP 擴 展 與 提 高 】 夾緊爪 TCP 標定 返回 目錄 30/34 本章小結(jié) 所 處 通?？蓪C器人運動軸分為本體軸和外部軸兩類。 位 置 本體軸屬于機器人本身，外部軸包括基座軸和工裝軸。 目前在大部分商用工業(yè)機器人系統(tǒng)中，存在四類可 以使用的坐標系：關(guān)節(jié)坐標系、直角坐標系、工具坐標 【 本 章 系和用戶坐標系。其中，關(guān)節(jié)坐標系和直角坐標系在機 小 結(jié) 器人手動操作和作業(yè)示教中運用最多。 】 手動操縱工業(yè)機器人是通過手動操控示教器上的機 器人運動軸按鍵將機器人在某一或某幾個坐標系下移動 到某個位置的方法。一般采用點動和連續(xù)移動兩種方式 來實現(xiàn)。點動機器人主