机器人的运动轴和坐标系

1、工业机器人技术及应用 手动操纵工业机器人 主 编：兰 虎 课前回顾 所 处 位 置 工业机器人的主要技术指标有哪些？工业机器人的点位运动和连续路径运动？【 课 前 回 顾 】 章节目录 3.1 机器人运动轴与坐标系 3.1.1 机器人运动轴的名称 3.1.2 机器人坐标系的种类 3.2 认识和使用示教器 思考练习 学习目标 导入案例 扩展与提高 课堂认知 3.3 机器人安全操作规程 3.3.1 示教和手动机器人时 3.3.2 再现和生产运行时 3.4 手动移动机器人 3.4.1 移动方式 返回 3.4.2 典型坐标系下的手动操作 目录 本章小结 学习目标 所 处 位 置 能够熟练进行机器人坐标

2、系和运动轴的选择 【 学 习 目 标 掌握机器人运动轴与坐标系 】 返回 目录 认知目标认知目标能力目标能力目标导入案例 所 处 Universal Robots 公司推出革命性的新型工业机器人 位 置 UR5 机器人自重很轻（仅 18.4 kg ），可以方便地在生产场地移动，而且不需要繁琐的安装与设置就可以迅速地融入到生产线中，与员工交互合作。编程过程可通过教学编程模式实现，用户可以扶住 UR 机械臂，手动引导机械臂，按所需的路径及移动模式运行机械臂一次， UR 机器人就能自动记住移动路径和模式。机器人通过一套独特的、友好的图形用户界面操作，在触摸屏幕上，有一系列范围广泛的功能让用户选择。任

3、何重复性的生产过程，都能够使用它并从中受益。 【 导 入 案 例 】 3.1 机器人运动轴与坐标系 3.1.1 机器人运动轴的名称 所 处 位 通常机器人运动轴按其功能可划分为机器人轴、基座轴和工装轴， 基座轴 和工装轴 统称 外部轴 。 置 【 机器人操作机（本体）的轴，属 课 机器人轴 机器人操作机（本机）的轴，属于机器人本身。 堂 认 知 】 基座轴 工装轴 机器人整体移动的轴，如行走轴（滑移平台或导轨）。 机器人轴和基座轴以外的轴，指使工装夹具翻转和回转的轴机器人系统中各个运动轴的定义 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 AB

4、B 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 3.1 机器人运动轴与坐标系 所 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 A1 、 A2 和 A3 三轴（轴 1 、轴 2 和轴 3 ）称为基本轴或主轴， 用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。 A4 、 A5 和 A6 三轴（轴 4 、轴 5 和轴 6 ）称为腕部轴或次轴， 用以实现末端执行器的任意空间姿态。 3.1.2 机器人坐标系的种类 所 目前，大部分商用工业机器人系统中，均可使用关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系， 而工具坐标系和用户坐标系同属于直角坐标系范畴 。 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 关节坐标系 机器

5、人坐 工具坐标系 标系种类 直角坐标系 用户坐标系 TCP 为机器人系统控制点，出厂是默认位于最后一个运动轴或安装法兰的中心，安装工具后 TCP 点将发生改变。 所 (1) 关节坐标系 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。对大范围运动，且不要求 TCP 姿态的，可选择关节坐标系。 处 位 置 轴名称 轴类型 动作说明 动作图示 ABB FANUC YASKAWA KUKA 【 本体 课 轴 1 S 轴 J1 A1 左右回转 堂 认 知 主轴 （基本轴） 大臂 轴 2 L 轴 J2 A2 】 上下运动 小臂 轴 3 U 轴 J3 A3 前后运动 手腕 轴 4 R 轴 J4 A4

6、 回旋运动 次轴 手腕 轴 5 B 轴 J5 A5 上下摆运动 （腕部轴） 手腕 轴 6 T 轴 J6 A6 圆周运动 所 (2) 直角坐标系（世界坐标系、大地坐标系） 机器人示教与编程时经常使用的坐标系之一的坐标系之一 ，原点定义，原点定义在机器人安装面与第一转动轴的交点处，在机器人安装面与第一转动轴的交点处， X 轴向前，轴向前， Z轴向上， Y 轴按右手法则确定。 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 Z X Y 直角坐标系原点 所 直角坐标系下的各轴动作 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 轴轴 动作动作 轴轴 动作动作 轴类型轴类型 动作图示动作图示 轴类型轴类型 动作图示动作图示 名

7、称名称 说明说明 名称名称 说明说明 沿沿 X X 轴平轴平 X X 轴轴 U U 轴轴 绕绕 Z Z 轴轴 旋转旋转 行移动行移动 主轴主轴 次轴次轴 沿沿 Y Y 轴平轴平 Y Y 轴轴 V V 轴轴 绕绕 Y Y 轴轴 旋转旋转 （基本轴（基本轴 ）（腕部（腕部 行移动行移动 轴）轴） 绕末端工绕末端工 沿沿 Z Z 轴平轴平 行移动行移动 Z Z 轴轴 W W 轴轴 具所指方具所指方 向旋转向旋转 Z X Y 沿沿 X X 轴平行移动轴平行移动 Z X Y 沿沿 Y Y 轴平行移动轴平行移动 所 (3) 工具坐标系 原点定义在 TCP 点，并且假定工具的有效方向为 X 轴（有些机器人厂

8、商将工具的有效方向定义为 Z 轴），而 Y 轴、 Z 轴由右手法则确定。 在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时选用该坐标系最为适宜。 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 Y X Z 工具坐标系原点 工具坐标系下的各轴动作 所 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 轴 动作 轴 动作 轴类型 动作图示 轴类型 动作图示 名称 说明 名称 说明 沿 X 轴平 X 轴 Rx 轴 绕 X 轴 旋转 行移动 主轴 次轴 沿 Y 轴平 Y 轴 Ry 轴 绕 Y 轴 旋转 （基本轴） （腕部轴） 行移动 沿 Z 轴平Z 轴 Rz 轴 绕 Z 轴 旋转 行移动 Z Y X 所 处 (4) 用户坐标系 可根

9、据需要定义用户坐标系。 当机器人配备多个工作台时，选择用户坐标系可使操作更为简单 。在用户坐标系中， TCP 点将沿用户自定义的坐标轴方向运动。 位 置 【 课 堂 认 知 】 用户坐标系原点 用户坐标系下的各轴动作 轴 动作 轴 动作 轴类型 动作图示 轴类型 动作图示 名称 说明 名称 说明 沿 X 轴平 X 轴 Rx 轴 绕 X 轴 旋转 行移动 主轴 次轴 沿 Y 轴平 Y 轴 Ry 轴 绕 Y 轴 旋转 （基本轴） （腕部轴） 行移动 沿 Z 轴平Z 轴 Rz 轴 绕 Z 轴 旋转 行移动 3.1 机器人运动轴与坐标系 不同的机器人坐标系功能等同，即机器人在关节坐标系下完成的动作，同

10、样可在直角坐标系下实现。 所 处 位 提示 机器人在关节坐标系下的动作是单轴运动，而在直角坐标系下则是多轴联动。除关节坐标系以外，其他坐标系均可实现控制点不变动作（只改变工具姿态而不改变 TCP 位置）在进行机器人 TCP 标定时经常用到。 置 【 课 堂 认 知 】 动作前 动作后 关节坐标系下的单轴运动 直角坐标系下的多轴协调运动 动作后 动作中 动作前 动作中 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴

11、 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴 3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 A5 轴轴 5 A4 轴轴 4 A6 A3 轴轴

12、3 轴轴 6 A2 轴轴 2 A1 轴轴 1 ABB 机器人 KUKA 机器人 典型机器人操作机各运动轴 3.2 认识和使用示教器 所 处 位 置 【 课 堂 KUKA smartPAD ABB FlexPendant 认 知 】 YASKAWA DX100 FANUC iPendant 返回 目录 工业机器人行业四巨头的最新示教器产品 16/34 3.2 认识和使用示教器 示教器主要由 显示屏 和各种操作 按键 组成，显示屏主要有 4 个显示区组成。 所 处 位 置 菜单显示区 显示操作屏主菜单和子菜单。 通用显示区 在通用显示区，可对作业程序、特性文件、各种设定进行显 【 课 示和编辑。

13、堂 认 知 状态显示区 显示系统当前状态，如动作坐标系、机器人移动速度等。显 】 示的信息根据控制柜的模式（示教或再现）不同而改变。 人机对话显示区 在机器人示教或自动运行过程中，显示功能图标以及系 统错误信息等。 返回 目录 17/34 3.2 认识和使用示教器 示教器按键设置主要包括【急停键】、【安全开关】、【坐标选择键】、【 轴操作键】 / 【 Jog 键】、【速度键】、【光标键】、【功能键】、【模式旋钮】 所 处 等。 位 置 序号 按键名称 按键功能 通过切断伺服电源立刻停止机器人和外部轴操作。 急停键 一旦按下，开关保持紧急停止状态；顺时针方向旋转解除紧急停止状态 【 1 课 。

14、堂 在操作时确保操作者的安全。 认 只有安全开关被按到适中位置，伺服电源才能，机器人方可动作。 安全开关 知 2 】 一旦松开或按紧，切断伺服电源，机器人立即停止运动。 手动操作时，机器人的动作坐标选择键。 可在关节、直角、工具和用户等常见坐标系中选择。 坐标选择键 3 此键每按一次，坐标系变化一次。 对机器人各轴进行操作的键。 只有按住轴操作键，机器人才可动作。 轴操作键 4 可以按住两个或更多的键，操作多个轴。 速度键 手动操作时，用这些键来调整机器人的运动速度。 5 光标键 使用这些键在屏幕上按一定的方向移动光标。 6 功能键 使用这些键可根据屏幕显示执行指定的功能和操作。 7 返回 选

15、择机器人控制柜的模式（示教模式、再现 / 自动模式、远程 / 遥控模式等 目录 模式旋钮 8 ）。 18/34 3.3 机器人安全操作规程 3.3.1 示教和手动机器人时 所 处 位 1 ）禁止用力摇晃机械臂及在机械臂上悬挂重物。 置 2 ）示教时请勿戴手套。穿戴和使用规定的工作服、安全鞋、安全帽、保护用具等 3 ）未经许可不能擅自进入机器人工作区域。调试人员进入机器人工作区域时， 需 【 随身携带示教器，以防他人误操作。 课 堂 4 ）示教前，需仔细确认示教器的安全保护装置是否能够正确工作，如【急停键】、 认 【安全开关】等。 知 】 5 ）在手动操作机器人时要采用较低的倍率速度以增加对机器

16、人的控制机会。 6 ）在按下示教器上的【轴操作键】之前要考虑到机器人的运动趋势。 7 ）要预先考虑好避让机器人的运动轨迹，并确认该路径不受干涉。 8 ）在察觉到有危险时，立即按下【急停键】，停止机器人运转。 返回 目录 19/34 3.3 机器人安全操作规程 3.3.2 再现和生产运行时 所 处 1 ）机器人处于自动模式时，严禁进入机器人本体动作范围内。 位 置 2 ）在运行作业程序前，须知道机器人根据所编程序将要执行的全部任务。 3 ）使用由其他系统编制的作业程序时，要先跟踪一遍确认动作，之后再使用该程序。 【 课 堂 4 ）须知道所有会左右机器人移动的开关、传感器和控制信号的位置和状态。

17、认 知 】 5 ）必须知道机器人控制器和外围控制设备上的【急停键】的位置，准备在紧急情况 下按下这些按钮。 6 ）永远不要认为机器人没有移动，其程序就已经完成，此时机器人很可能是在等 待让它继续移动的输入信号。 返回 目录 20/34 3.4 手动移动机器人 3.4.1 移动方式 所 处 位 (1) 点动 置 点动机器人就是点按 / 微动【轴操作键】来移动机器人手臂的方式。每 点按或微动【轴操作键】一次机器人移动一段距离。 点动机器人主要用在 示教时离目标位置较近的场合。 【 课 堂 认 知 】 返回 目录 点动机器人 21/34 3.4 手动移动机器人 3.4.1 移动方式 所 处 位 (2

18、) 连续移动 置 连续移动机器人则是长按 / 拨动【轴操作键】来移动机器人手臂的方式。 连续 移动机器人主要用在示教时离目标位置较远的场合 。 【 课 堂 认 知 】 返回 连续移动机器人 目录 22/34 3.4 手动移动机器人 3.4.2 典型坐标系下的手动操作 所 处 ( 1 ) 关节坐标系 位 置 关键步骤：系统上电开机 A 工位机器人手动示教 选择关节坐标系 移动 机器人到 B 工位 / 旋转回转机 B 工位机器人手动示教。 【 课 堂 认 知 】 工位工位 B 工位工位 B 工位工位 A 工位工位 A 双工位操作 双工位 + 变位机操作 机器人外部轴的运动控制，只能在关节坐标系下进

19、行。 返回 提示 目录 23/34 3.4 手动移动机器人 3.4.2 典型坐标系下的手动操作 所 处 ( 2 ) 直角坐标系 位 置 关键步骤：系统上电开机 选择关节坐标系 变换末端工具姿态至作业姿态 选择直角坐标系 移动机器人至直线轨迹的开始点 选择直角坐标系的 Y 轴 移动 机器人至直线轨迹的结束点。 【 课 堂 认 运动轨迹 知 】 z y x 机器人直线运动轨迹 返回 目录 24/34 3.4 手动移动机器人 3.4.2 典型坐标系下的手动操作 所 处 ( 3 ) 工具坐标系 位 置 关键步骤： 选择直角坐标系 移动机器人到作业轨迹的结束点 选择工 具坐标系的 X 轴 移动机器人到一

20、个安全位置。 【 课 堂 认 动作后 知 动作前 】 末端工具规避动作 若设定工具的有效方向为工具坐标系的 Z 轴，此时末端工具规避 返回 提示 目录 动作应选 Z 轴进行操作。 25/34 3.4 手动移动机器人 手动移动机器人运动，其基本操作流程可归纳：示教前的准备和手动移动机器人 所 。需要注意的是，手动操作机器人移动时，机器人运动数据将不被保存。 处 位 开 始 置 装夹工件 依次顺序闭合电源设备开关 示 【 打开机器人附属作业系统电源 系统上电开机 教 课 前 堂 打开机器人控制柜电源 的 认 准 登录系统 备 知 （输入用户 ID 与口令） 】 选择“示教”模式 轻握【 安全开关

21、】接通 伺服电源 手 选择机器人动作模式 动 移 设定机器人手动速度 动 手动操纵机器人 机 选择合适的机器人坐标系 器 人 使用【 轴操作键 】选择运动轴 移动机器人到目标位置 返回 结 束 目录 手动移动机器人操作流程 26/34 点动/步进连续移动单轴运动多轴协调机器人 TCP （工具中心点）标定 工具坐标系的准确度直接影响机器人的轨迹精度。默认工具坐标系的原点 所 处 位于机器人安装法兰的中心，当接装不同的工具（如焊枪）时，工具需获得一 位 个用户定义的直角坐标系。 置 【 扩 展 与 提 高 】 b) TCP 标定 a) 未 TCP 标定 返回 机器人工具坐标系的标定 目录 27/3

22、4 机器人 TCP （工具中心点）标定 所 目前，机器人工具坐标系的标定方法主要有 外部基准法 和 多点标定法 。 处 位 (1) 外部基准标定法 只需要使工具对准某一测定好的外部基准点，便可完成标定 置 ，标定过程快捷简便。但这类标定方法依赖于机器人外部基准。 (2) 多点标定法 这类标定包含工具中心点（ TCP ）位置多点标定和工具坐标系（ 【 TCF ）姿态多点标定。 TCP 位置标定是使几个标定点 TCP 位置重合，从而计算出 扩 展 TCP ，如四点法； TCF 姿态标定是使几个标定点之间具有特殊的方位关系，从而计 与 算出工具坐标系相对于末端关节坐标系的姿态，如五点法、六点法。 提

23、 高 TCP 六点法操作步骤： 】 1 ）在机器人动作范围内找一个精确的固定点作为参考点。 2 ）在工具上确定一个参考点（最好是工具中心点 TCP ）。 3 ）移动工具参考点，以四种不同的工具姿态尽可能与固定点刚好碰上。 4 ）机器人控制柜通过前 4 个点的位置数据即可计算出 TCP 的位置，通过后 2 个点 即可确定 TCP 的姿态。 5 ）根据实际情况设定工具的质量和重心位置数据。 返回 目录 28/34 机器人 TCP （工具中心点）标定 所 处 位 置 【 a) 位置点 1 b) 位置点 2 c) 位置点 3 扩 展 与 提 高 z x 】 d) 位置点 4 e) 位置点 5 f) 位

24、置点 6 TCP 标定过程 TCP 标定操作要以次轴（腕部轴）为主。 在参考点附近要降低速度，以免相撞。 TCP 标定后，可通过在关节坐标系以外的坐标系中进行控 提示 返回 目录 制点不变动作检验标定效果。 29/34 机器人 TCP （工具中心点）标定 如果使用搬运类的夹具，其 TCP 设定方法如下： 所 处 位 以搬运物料袋的夹紧爪为例，其结构对称，重心在默认工具坐标系的 Z 方向偏移 置 一定距离，可在设置页面直接手动输入偏移量数值、质量数据。 【 TCP 扩 展 与 提 高 】 夹紧爪 TCP 标定 返回 目录 30/34 本章小结 所 处 通常可将机器人运动轴分为本体轴和外部轴两类。 位 置 本体轴属于机器人本身，外部轴包括基座轴和工装轴。 目前在大部分商用工业机器人系统中，存在四类可 以使用的坐标系：关节坐标系、直角坐标系、工具坐标 【 本 章 系和用户坐标系。其中，关节坐标系和直角坐标系在机 小 结 器人手动操作和作业示教中运用最多。 】 手动操纵工业机器人是通过手动操控示教器上的机 器人运动轴按键将机器人在某一或某几个坐标系下移动 到某个位置的方法。一般采用点动和连续移动两种方式 来实现。点动机器人