机器人的运动轴和坐标系

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】

返回目录认知目标能力目标导入案例所处UniversalRobots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18.4kg），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5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB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ABBFANUCYASKAWAKUKA【本体课轴1S轴J1A1左右回转堂认知主轴（基本轴）大臂轴2L轴J2A2】上下运动小臂轴3U轴J3A3前后运动手腕轴4R轴J4A4回旋运动次轴手腕轴5B轴J5A5上下摆运动（腕部轴）手腕轴6T轴J6A6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，原点定义在机器人安装面与第一转动轴的交点处，X轴向前，Z轴向上，Y轴按右手法则确定。

处位置————【课堂认知】ZXY直角坐标系原点所直角角坐坐标标系系下下的的各各轴轴动动作作处位置———————【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U轴绕Z轴

旋转行移动主轴次轴沿Y轴平Y轴V轴绕Y轴

旋转（基本轴）（腕部行移动

轴）绕末端工沿Z轴平

行移动Z轴W轴具所指方向旋转ZXY沿X轴平平行行移移动动ZXY沿Y轴平平行行移移动动所(3)工具具坐坐标标系系原原点点定定义义在在TCP点，，并并且且假假定定工工具具的的有有效效方方向向为为X轴（（有有些些机机器器人厂厂商商将将工工具具的的有有效效方方向向定定义义为为Z轴）），，而而Y轴、Z轴由右手法则则确定。在进行相对于于工件不改变变工具姿态的的平移操作时时选用该坐标标系最为适宜宜。处位置—————【课堂认知】YXZ工具坐坐标系系原点点工具坐坐标系系下的的各轴轴动作作所处位置—————【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ZYX所处(4)用户坐坐标系系可根据据需要要定义义用户户坐标标系。。当机器器人配配备多多个工工作台台时，，选择用户户坐标标系可可使操操作更更为简简单。。在在用户户坐标标系中中，TCP点将沿沿用户户自定定义的的坐标标轴方方向运运动。。位置—————【课堂认知】用户坐坐标系系原点点用户坐坐标系系下的的各轴轴动作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机器人运动动轴与坐标标系不同的机器器人坐标系系功能等同同，即机器器人在关节节坐标系下下完成的动动作，同样样可在直角角坐标系下下实现。所处位提示机器人在在关节坐坐标系下下的动作作是单轴轴运动，，而在直直角坐标标系下则则是多轴轴联动。。除关节节坐标系系以外，，其他坐坐标系均均可实现现控制点点不变动动作（只只改变工工具姿态态而不改改变TCP位置）在进行行机器人TCP标定时经常用用到。置————【课堂认知】动作前动作后关节坐标系下下的单轴运动动直角坐标系下下的多轴协调调运动动作后动作中动作前动作中A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴A5轴5A4轴4A6A3轴3轴6A2轴2A1轴1ABB机器人KUKA机器人典型机器人操作机各运动轴3.2认识和使用示示教器所处位置————【课堂KUKAsmartPADABBFlexPendant认知】YASKAWADX100FANUCiPendant返回目录工业机器人行行业四巨头的的最新示教器器产品16/343.2认识和使用示示教器示教器主要由由显示屏和各种操作按键组成，显示屏屏主要有4个显示区组成成。所处位置菜单显示区————显示操作屏主主菜单和子菜菜单。通用显示区在通用显示区区，可对作业业程序、特性性文件、各种种设定进行显显【课示和编辑。堂认知状态显示区显显示系统当当前状态，如如动作坐标系系、机器人移移动速度等。。显】示的信息根据据控制柜的模模式（示教或或再现）不同同而改变。人机对话显示示区在机器人示教教或自动运行行过程中，显显示功能图标标以及系统错误信息等等。返回目录17/343.2认识和使用示示教器示教器按键设设置主要包括括【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。位置序号号按键键名名称称按键键功功能能———————通过过切切断断伺伺服服电电源源立立刻刻停停止止机机器器人人和和外外部部轴轴操操作作。。急停停键键一旦旦按按下下，，开开关关保保持持紧紧急急停停止止状状态态；；顺顺时时针针方方向向旋旋转转解解除除紧紧急急停停止止状状态态【1课。堂在操操作作时时确确保保操操作作者者的的安安全全。。认只有有安安全全开开关关被被按按到到适适中中位位置置，，伺伺服服电电源源才才能能，，机机器器人人方方可可动动作作。。安全全开开关关知2】一旦旦松松开开或或按按紧紧，，切切断断伺伺服服电电源源，，机机器器人人立立即即停停止止运运动动。。手动动操操作作时时，，机机器器人人的的动动作作坐坐标标选选择择键键。。可在在关关节节、、直直角角、、工工具具和和用用户户等等常常见见坐坐标标系系中中选选择择。。坐标标选选择择键键3此键键每每按按一一次次，，坐坐标标系系变变化化一一次次。。对机机器器人人各各轴轴进进行行操操作作的的键键。。只有按按住轴轴操作作键，，机器器人才才可动动作。。轴操作作键4可以按按住两两个或或更多多的键键，操操作多多个轴轴。速度键键手动操操作时时，用用这些些键来来调整整机器器人的的运动动速度度。5光标键键使用这这些键键在屏屏幕上上按一一定的的方向向移动动光标标。6功能键键使用这这些键键可根根据屏屏幕显显示执执行指指定的的功能能和操操作。。7返回选择机机器人人控制制柜的的模式式（示示教模模式、、再现现/自动模模式、、远程程/遥控模模式等等目录模式旋旋钮8）。18/343.3机器人人安全全操作作规程程示教和和手动动机器器人时时所处位1）禁止用用力摇摇晃机机械臂臂及在在机械械臂上上悬挂挂重物物。置—————2）示教时时请勿勿戴手手套。。穿戴和和使用用规定定的工工作服服、安安全鞋鞋、安安全帽帽、保保护用用具等等3）未经经许可可不能能擅自自进入入机器器人工工作区区域。。调试试人员员进入入机器器人工工作区区域时时，需需【随身携携带示示教器器，以以防他他人误误操作作。课堂4）示教教前，，需仔仔细确确认示示教器器的安安全保保护装装置是是否能能够正正确工工作，，如【急停键键】、认【安全开开关】等。知】5）在手手动操操作机机器人人时要要采用用较低低的倍倍率速速度以以增加加对机机器人人的控控制机机会。。6）在按下示示教器上上的【轴操作键键】之前要考考虑到机机器人的的运动趋趋势。7）要预先考考虑好避避让机器器人的运运动轨迹迹，并确确认该路路径不受受干涉。。8）在察觉觉到有危危险时，，立即按按下【急停键】，停止机机器人运运转。返回目录19/343.3机器人安安全操作作规程再现和生生产运行行时所处1）机器人人处于自自动模式式时，严严禁进入入机器人人本体动动作范围围内。位置—————2）在运行作作业程序序前，须须知道机机器人根根据所编编程序将将要执行行的全部部任务。。3）使用由其其他系统统编制的的作业程程序时，，要先跟跟踪一遍遍确认动动作，之之后再使使用该程程序。【课堂4）须知道道所有会会左右机机器人移移动的开开关、传传感器和和控制信信号的位位置和状状态。认知】5）必须知知道机器器人控制制器和外外围控制制设备上上的【急停键】的位置，，准备在在紧急情情况下按下这这些按钮钮。6）永远不要要认为机机器人没没有移动动，其程程序就已已经完成成，此时时机器人人很可能能是在等等待让它继继续移动动的输入入信号。。返回目录20/343.4手动移动动机器人人3.4.1移动方式式所处位(1)点动置—————点动机器器人就是是点按/微动【轴操作键键】来移动机器人人手臂的方式式。每点按或微动【轴操作键】一次机器人移移动一段距离离。点动机器人主主要用在示教时离目标标位置较近的的场合。【课堂认知】返回目录点动机器人21/343.4手动移动机器器人移动方式所处位(2)连续移动置————连续移动机器器人则是长按按/拨动【轴操作键】来移动机器人人手臂的方式式。连续移动机器人主主要用在示教教时离目标位位置较远的场场合。【课堂认知】返回连续移动机器器人目录22/343.4手动移动机器器人典型坐标系下下的手动操作作所处(1)关节坐标系位置关键步骤：系系统上电开机机→A工位机器人手手动示教→→选择关节节坐标系→→移动————机器人到B工位/旋转回转机→→B工位机器人手手动示教。【课堂认知】工位B工位B工位A工位A双工位操作双工位+变位机操作机器人外部轴轴的运动控制制，只能在关关节坐标系下下进行。返回提示目录23/343.4手动移动机器器人典型坐标系下下的手动操作作所处(2)直角坐标系位置关键步骤：系系统上电开机机→选择择关节坐标系系→变换换末端工具姿姿态至作业姿姿态→————选择直角坐标标系→移移动机器人至至直线轨迹的的开始点→→选择直角角坐标系的Y轴→移动动机器人至直线线轨迹的结束束点。【课堂认运动轨迹知】zyx机器人直线运运动轨迹返回目录24/343.4手动移动机器器人典型坐标系下下的手动操作作所处(3)工具坐标系位置关键步骤：……→选择直角坐标标系→移移动机器人到到作业轨迹的的结束点→→选择工————具坐标系的X轴→移动动机器人到一一个安全位置置。【课堂认动作后知动作前】末端工具规规避动作若设定工具具的有效方方向为工具具坐标系的的Z轴，此时末末端工具规规避返回提示目录动作应选Z轴进行操作作。25/343.4手动移动机机器人手动移动机机器人运动动，其基本本操作流程程可归纳：：示教前的的准备和手手动移动机机器人所。需要注意的的是，手动动操作机器器人移动时时，机器人人运动数据据将不被保保存。处位开始置————装夹工件依次顺序闭闭合电源设设备开关示【打开机器人人附属作业业系统电源源系统上电开开机教课前堂打开机器人人控制柜电电源的认准登录系统备知（输入用户户ID与口令）】选择择““示示教教””模模式式轻握握【安全全开开关关】接通通伺服服电电源源手选择择机机器器人人动动作作模模式式动移设定定机机器器人人手手动动速速度度动手动动操操纵纵机机器器人人机选择择合合适适的的机机器器人人坐坐标标系系器人使用【轴操作键键】选择运动动轴移动机器器人到目目标位置置返回结束目录手动移动动机器人人操作流流程26/34点动/步进连续移动动单轴运动动多轴协调调机器人TCP（工具中中心点））标定工具坐标标系的准准确度直直接影响响机器人人的轨迹迹精度。。默认工工具坐标标系的原原点所处位于机器器人安装装法兰的的中心，，当接装装不同的的工具（（如焊枪枪）时，，工具需需获得一一位个用户定定义的直直角坐标标系。置—————【扩展与提高】b)TCP标定a)未TCP标定返回机器人人工具具坐标标系的的标定定目录27/34机器人人TCP（工具具中心心点））标定定所目前，，机器器人工工具坐坐标系系的标标定方方法主主要有有外外部基基准法法和和多多点标标定法法。。处位(1)外部基基准标标定法法只只需要要使工工具对对准某某一测测定好好的外外部基基准点点，便便可完完成标标定置—————，标定定过程程快捷捷简便便。但但这类类标定定方法法依赖赖于机机器人人外部部基准准。(2)多点标标定法法这类标标定包包含工工具中中心点点（TCP）位置置多点点标定定和工工具坐坐标系系（【TCF）姿态态多点点标定定。TCP位置标标定是是使几几个标标定点点TCP位置重重合，，从而而计算算出扩展TCP，如四四点法法；TCF姿态标标定是是使几几个标标定点点之间间具有有特殊殊的方方位关关系，，从而而计与算出工工具坐坐标系系相对对于末末端关关节坐坐标系系的姿姿态，，如五五点法法、六六点法法。提高TCP六点法法操作作步骤骤：】1）在机机器人人动作作范围围内找找一个个精确确的固固定点点作为为参考考点。。2）在工工具上上确定定一个个参考考点（（最好好是工工具中中心点点TCP）。3）移动动工具具参考考点，，以四四种不不同的的工具具姿态态尽可可能与与固定定点刚刚好碰碰上。。4）机器器人控控制柜柜通过过前4个点的的位置置数据据即可可计算算出TCP的位置置，通通过后后2个点即可确确定TCP的姿态态。5）根据据实际际情况况设定定工具具的质质量和和重心心位置置数据据。返回目录28/34机器人人TCP（工具具中心心点））标定定所处位置—————【a)位置点点1b)位置点点2c)位置点点3扩展与提高zx】d)位置点点4e)位置点点5f)位置点点6TCP标定过过程TCP标定操操作要要以次次轴（（腕部部轴））为主主。在参考考点附附近要要降低低速度度，以以免相相撞。。TCP标定后后，可可通过过在关关节坐坐标系系以外外的坐坐标系系中进进行控控提示返回目录制点不不变动动作检检验标标定效效果。。29/34机器人人TCP（工具具中心心点））标定定如果使使用搬搬运类类的夹夹具，，其TCP设定方方法如如下：：所处位以搬运运物料料袋的的夹紧紧爪为为例，，其结结构对对称，，重心心在默默认工工具坐坐标系系的Z方向偏偏移置一定距距离，，可在在设置置页面面直接接手动动输入入偏移移量数数值、、质量量数据据。—————【TCP扩展与提高】夹紧爪爪TCP标定返回目录30/34本章小小结所处通常可可将机机器人人运动动轴分分为本本体轴轴和外外部轴轴两类类。位置本体轴轴属于于机器器人本本身，，外部部轴包包括基基座轴轴和工工装轴轴。————目前在大部部分商用工工业机器人人系统中，，存在四类类可以使用的坐坐标系：关关节坐标系系、直角坐坐标系、工工具坐标【本章系和用户坐坐标系。其其中，关节节坐标系和和直角坐标标系在机小结器人手动操操作和作业业示教中运运用最多。。】手动操纵工工业机器人人是通过手手动操控示示教器上的的机器人运动轴轴按键将机机器人在某某一或某几几个坐标系系下移动到某个位置置的方法。。一般采用用点动和连连续移动两两种方式来实现。点点动机器人人主要用在在离目标位位置较近的