工业机器人运动轴与坐标系

第5章工业机器人运动轴与坐标系《工业机器人基础及应用编程技术》目录页PAGEOFCONTENT5.1机器人单元组成5.2应用工具软件5.3机器人本体5.4机器人控制器工业机器人运动轴5.1六轴串联型机器人本体上有6个可活动的关节（轴）图5-1示出了四大家族机器人：1.FANUC机器人的六个轴定义为：J1，J2，J3，J4，J5，J6轴2.ABB机器人的六个轴定义为轴1、轴2、轴3、轴4、轴5和轴6（a）FANUC机器人（b）ABB机器人图5-1四大家族机器人运动轴的定义工业机器人运动轴5.13.KUKA机器人六轴分别定义为Al、A2、A3、A4、A5和A64.YASKAWA六轴定义为S、L、U、R、B、T（c）YASKAWA机器人（d）KUKA机器人图5-1四大家族机器人运动轴的定义工业机器人运动轴5.1（1）前三轴称为基本轴或主轴，用于保证末端执行器达到工作空间的任意位置（2）后三轴称为腕部轴或次轴，用于实现末端执行器的任意空间姿态的控制（3）为了扩大机器人的运动范围，有时会给机器人增加扩展轴，形成第7或更多轴，扩展轴与本体六个轴之间可以协调联动，因此也叫协调轴或外部轴图5-2所示机座轴（也称行走轴）、工装轴（也称回转轴）都属于机器人的外部轴，外部轴的动作也通过机器人的示教器进行运动编程示教。图5-2机器人外部轴坐标系5.2工业机器人主要包括四种类型的坐标系：（1）世界坐标系（机座坐标系）（2）关节坐标系（3）工具坐标系（4）用户（或工件）坐标系工业机器人的运动实质:根据不同作业内容、轨迹的要求，在各种坐标系下的运动图5-3表示了一个工业机器人本体与外部环境关联的坐标系情况，理解机器人的各个坐标系的含义，是进行工业机器人编程的基础。图5-3工业机器人常用坐标系的空间关系坐标系5.25.2.1.世界坐标系世界坐标系也即通用坐标系，以大地为参考。串联工业机器人的世界坐标系被固定在空间上的标准直角坐标系，也称为工业机器人机座坐标系，是由机器人开发人员事先确定的标准参考位置。其原点定义在机器人的安装面与第一转动轴的交点处，X+轴向前，Z+轴向上，Y+轴按右手规则确定，如图5-4所示。图5-4工业机器人世界坐标系坐标系5.25.2.2.关节坐标系关节坐标系是设定在机器人的关节中的坐标系。关节坐标系中的机器人的位置和姿势，以各关节的底座侧的关节坐标系为基准而确定。在关节坐标系下，机器人各轴均可实现单独正向或反向运动。对于大范围运动，且不要求机器人TCP点姿态的，可选择关节坐标系。图5-5所示的关节坐标系的关节值，处在所有轴都为0︒的状态。图5-5六轴机器人关节坐标系及运动方向坐标系5.25.2.3.机械接口坐标系在机器人的机械接口（第六轴手腕法兰盘面）中定义的标准直角坐标系中，坐标系被固定在机器人所事先确定的位置。工具坐标系基于该坐标系而设定。机械接口坐标系的空间位姿（X,Y,Z,W,P,R）在出厂前已经标定，且不会因用户使用而变化，所以机械接口坐标系在机器人中是一个固定的坐标系。5.2.4.工具坐标系（1）工具坐标系，是表示工具中心点和工具姿势的直角坐标系。工业生产线上，通常在工业机器人的末端执行器上固定特殊的部件作为工具，如夹具，焊枪等装置，在这些工具上的某个固定位置上通常要建立一个坐标系，即工具坐标系。坐标系5.25.2.4.工具坐标系（2）机器人的轨迹规划通常是在添加了上述的工具之后，针对工具的某一点进行规划，通常这一点被称为工具中心点（TCP），TCP英文全称为ToolCenterPoint，一般情况下，工具坐标系的原点就是TCP，工具在被安装在机器人末端执行器上之后，除非人为的改变其安装位置，否则工具坐标系相对于机器人末端坐标系的关系是固定不变的（3）正确的工具坐标系标定对机器人的轨迹规划具有重要影响，而且机器人的工具可能会针对不同的应用场景需要经常更换机器人的工具坐标系，因此一种快速，准确的机器人工具坐标系标定方法是迫切需求的。工具坐标系通常以TCP为原点，将工具方向取为Ｚ轴。（4）未定义工具坐标系时，将由机械接口坐标系（第六轴法兰中心点）来替代该坐标系。坐标系5.25.2.4.工具坐标系（5）工具坐标系，由工具中心点的位置（x,y,z）和姿势（w,p,r）构成。TCP的位置，通过相对机械接口坐标系的工具中心点的坐标值x、y、z来定义，如图5-6所示。工具的姿势，通过机械接口坐标系的X轴、Y轴、Z轴周围的回转角w、p、r来定义。工具中心点用来对位置数据的位置进行示教。在进行工具的姿势控制时，需要用上工具姿势。图5-6TCP与机械接口坐标系的位置关系坐标系5.25.2.5.用户坐标系在工业机器人的使用过程中，为了方便任务的完成，一般在操作的工件（或台面）上建立一个工件坐标系也称为用户坐标系，绝大部分的操作定义在用户坐标系上。然而工件的位置可能会因为操作任务的不同而改变，通常需要重新建立用户坐标系，并标定出用户坐标系相对于机器人基坐标系的转换关系，因此在实际的生产中经常需要快速实现工件坐标系的标定。工具坐标系5.3为了分析工具坐标系在工业机器人使用过程中的作用，进行如下探索：探索1：研究对象和参考对象运动学中，在研究物体运动过程时，需要选定参考对象和研究对象思考：机器人在实际应用过程中做些什么？图5-7所示的三种典型工业机器人应用中的参考对象和研究对象又会是什么？（a）弧焊(b)点焊(c)搬运图5-7工业机器人的典型应用案例工具坐标系5.3从机器人不同应用领域来看，机器人大多是拿着工具（焊枪，手爪等）去工作台上固定的位置加工工件。我们习惯性地取静止的物体为参考对象，运动的物体取为研究对象。因此，这里可以取工具为研究对象，工作台为参考对象。机器人实际上就是建立了工具和工作台的关系，这个关系也称为位置点位，如图5-8所示。机器人为了表达工具和工作台的相对位置关系，引入工具坐标系和用户坐标系。图5-8工具坐标系用户坐标系的关联关系图工具坐标系5.35.3.1.工具坐标系作用1.默认的工具坐标系一般将法兰盘中心定义为工具坐标系的原点，法兰盘中心指向法兰盘定位孔方向定义为+X方向，垂直法兰向外为+Z方向，最后根据右手法则即可判定Y方向。新的工具坐标系都是相对默认的工具坐标系变化得到的，如图5-9所示。图5-9机械接口坐标系工具坐标系5.35.3.1.工具坐标系作用2.TCP，即工具中心点对于工业机器人来说，机器人轨迹及速度是指TCP点的轨迹和速度。TCP一般设置在工具的末端，如：手爪中心，焊丝端部，点焊静臂前端等等。为了说明工具坐标系和用户坐标系的作用，我们做如下思考：从探索1中，已经知道工具坐标系是运动中的一个研究对象，但是它在实际调试过程中，又起到什么作用呢？以图5-10（a）为例（1）手爪如何能以最方便的方式调整姿态以抓取水平台面的上的工件？图5-10调整工具姿态抓取水平台面工件工具坐标系5.35.3.1.工具坐标系作用图5-11调整工具位置抓取斜台面工件（2）同样，手爪如何以最方便的方式调整姿态以抓取如图5-11（a）所示的斜面平台上的工件呢？推测：通过大家的思考，可以得出两个推测：①推测1：若图5-10中的手爪有一个旋转点，使手爪直接绕着这个旋转点旋转就可以实现姿态调整。工具坐标系5.35.3.1.工具坐标系作用②推测2：若图5-11中的手爪有一个与斜面垂直的前进方向，就可以直接移动过去了。为了实现上述两种情况下工具的快速姿态调整，工业机器人提供了工具坐标系。结论：建立工具坐标系的作用：（1）确定工具的TCP点（即工具中心点），方便调整工具姿态。（2）确定工具进给方向，方便工具位置调整。图5-11调整工具位置抓取斜台面工件工具坐标系5.35.3.2.工具坐标系特点新的工具坐标系是相对于默认的工具坐标系变化得到的，新的工具坐标系的位置和方向始终同法兰盘保持绝对的位置和姿态关系，但在空间上是一直变化的。（1）图5-12（a）为垂直于法兰盘的垂直卡爪，TCP为机械工具坐标系平移即可，无角度变化。（2）图5-12（b）为带弧形的工具，其TCP由机械工具坐标系平移或旋转获得。两种形式的TCP均与机械工具坐标系之间存在绝对位姿关系。图5-12不同形状工具的TCP工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定工具坐标系需要在编程前先行设定。如果未定义工具坐标系，将使用默认工具坐标系。对于FANUC机器人，用户最多可以设置10个工具坐标系。一般一个工具对应一个工具坐标系。有三种设置方法：三点法；六点法；直接输入法。1.三点法设置工具坐标系基本方法：设定工具中心点（工具坐标系的x、y、z）。进行示教，使参考点1、2、3以不同的姿势指向1点，如图5-13所示。工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定图5-13三点法TCP标定由此，机器人控制器自动计算TCP的位置。要进行正确设定，应尽量使三个趋近方向各不相同。三点示教法中，只可以设定工具中心点（x,y,z）。工具姿势（w,p,r）中输入标准值（0,0,0）。在设定完位置后，以六点示教法或直接示教法来定义工具姿势。工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：（1）依次按键操作：【MENU】（菜单）-【SETUP】（设置）-F1【TYPE】（类型）-【Frames】（坐标系）进入坐标系设置界面；（2）按F3【OTHER】（坐标）选择【ToolFrame】（工具坐标系）进入工具坐标系的设置界面，见图5-14；图5-14步骤二工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：（3）移动光标到所需设置的工具坐标系号处，按键F2【DETAIL】（详细）进入详细界面，见图5-15；图5-15步骤三工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：（4）按F2【METHOD】（方法），见上图，移动光标，选择所用的设置方法【ThreePoint】（三点法），按【ENTER】（回车）确认，进入图516画面；图5-16步骤四工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：之后对每个接近点分三步操作：①调姿态；②点对点；③记录。（1）记录接近点1：a.移动光标到接近点1（Approachpoint1）；b.把示教坐标切换成世界坐标（WORLD）后移动机器人，使工具尖端接触到基准点；c.按【SHIFT】+F5【RECORD】（记录）记录。（2）记录接近点2：a.沿世界坐标（WORLD）+Z方向移动机器人50mm左右；b.移动光标到接近点2（Approachpoint2）；c.把示教坐标切换成关节坐标（JOINT），旋转J6轴（法兰面）至少90度，不要超过180度；工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：d.把示教坐标切换成世界坐标（WORLD）后移动机器人，使工具尖端接触到基准点；e.按【SHIFT】+F5【RECORD】（记录）记录；f.沿世界坐标（WORLD）的+Z方向移动机器人50mm左右。（3）记录接近点3：a.移动光标到接近点3（Approachpoint3）；b.把示教坐标切换成关节坐标（JOINT），旋转J4轴和J5轴，不要超过90度；c.把示教坐标切换成世界坐标（WORLD），移动机器人，使工具尖端接触到基准点；d.按【SHIFT】+F5【RECORD】（记录）记录；e.沿世界坐标（WORLD）的+Z方向移动机器人50mm左右。工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定三点法设置操作步骤：（4）当三个点记录完成，新的工具坐标系被自动计算生成，见图5-17，三点法标定后，工具坐标系的X.Y.Z有了确定的值，该值体现了TCP相比于六轴法兰中心的偏移值。图5-17三点法标定结果工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定2.六点法原理及设置步骤（3）在上图中移动光标到所需设置的工具坐标号上，按F2【DETAIL】（详细）进入图5-20画面；图5-20步骤三工具坐标系5.35.3.3.工具坐标系的标定2.六点法原理及设置步骤（4）按F2【METHOD】（方法）选择所用的设置方法【SixPo