菜鸟聊机器人-工业机器人坐标系
时间：2020-08-17 11:38:25 来源： 智慧Robot
想学好工业机器人就要熟悉机器人的控制，工业机器人基本靠控制运动轴位置和电磁元件通断来进行运动。运动轴位置控制一般用来改变工具作业点，它可驱动机器人关节运动或机器人、工件的整体移动；在机器人应用程序中，运动轴位置可通过基本移动指令控制。基本移动指令属于通用指令，只要机器人的控制系统相同，即使工业机器人的用途有所区别，但移动指令的格式、编程要求仍一致。
部分工业机器人可能还包含特殊的运动轴位置控制要求，例如，点焊机器人的伺服焊钳控制、分拣机器人的同步跟踪控制、探测机器人的传感器引导运动和摄像控制等。此类机器人的控制系统通常需要选配特殊功能，并通过专门的RAPID移动指令进行控制。
多关节机器人的运动复杂，为了实现对机器人本体运动轴的控制，需要对机器人的工具参考点（Tool Reference Point，TRP）位置进行定义，以便建立其运动控制模型。
例如，在图示的6轴串联机器人上，TRP就是机器人手腕上的工具安装法兰中心点。为了确定TRP，在控制系统中，需要定义基座高度（height_of_foot），j2、j3轴中心偏移（offset_off_joint_2、offset_off_joint_3），下臂、上臂长度（length_of_lower_arm、length_of_upper_arm）以及手腕长度（length_of_wrist）等结构参数。
结构参数是机器人运动控制的前提条件，且与机器人结构密切相关，故需要机器人生产厂家在系统参数上设置。在RAPID应用程序中，ABB机器人的结构参数一般在系统模块（System module）中定义，该模块由ABB公司编制，并可在系统启动时自动加载，并且不受用户作业程序删除操作的影响。
TRP也是确定工具作业点、设定工具数据的基准位置。工业机器人的工具作业点又称为工具控制点（Tool Control Point，TCP）或工具中心点（Tool Center Point，TCP），它是机器人关节、直线、圆弧插补等移动指令的控制对象，指令中的起点、终点就是TCP在指定坐标系上的位置值。TCP的位置与工具形状、安装方式密切相关；不安装工具时，TCP就是TRP。
机器人作业程序中的移动指令大多用来控制机器人TCP和工件（或基准）的相对运动， TCP的位置取决于机械部件的运动。例如，通过机器人本体的运动，可使TCP和机器人基座产生相对运动；通过机器人基座的整体移动，可使TCP和大地产生相对运动；通过工件的整体运动，可使TCP和工件产生相对运动等。
可驱动机器人TCP运动的运动轴众多、组成形式多样，简单系统可能只有单一的机器人本体运动；复杂机系统可能需要控制多个机器人以及机器人变位器、工件变位器等诸多辅助部件运动。例如，下图所示的双机器人协同作业系统，实际上包含机器人1、机器人2、机器人变位器、工件变位器共4个运动部件。
为了便于控制与编程，在控制系统内部，通常需要根据机械部件的功能与用途，对运动轴进行分组管理，将系统分为若干个具有独立功能和若干个运动轴的基本运动单元。在ABB机器人说明书中，将这样的单元称为机械单元（Mechanical unit）；而在安川等公司生产的机器人说明书中，则将其称为“控制轴组”。
工业机器人系统的运动轴一般可分为机器人单元（机器人轴组）、基座单元（基座轴组）和工装单元（工装轴组）3类。
01机器人单元
机器人轴是用于机器人本体运动控制的坐标轴，用来控制机器人TCP和机器人基座的相对运动。在多机器人控制系统上，可分为机器人1（ROB_1）、机器人2 （ROB_2）等多个轴组（单元）；机器人单元一旦选定，对应的机器人就成为系统的控制对象。
02基座单元
基座轴是驱动机器人安装基座、实现机器人整体变位的辅助运动轴，用来控制机器人基座及TCP和大地的相对运动。基座单元一旦选定，机器人变位器就成为系统的控制对象。
03工装单元
工装轴是驱动工装运动、实现工件整体变位的辅助运动轴，用来控制机器人TCP和工件的相对运动。工装单元一旦选定，工件变位器就成为系统的控制对象。
机器人轴是系统的基本运动轴，任何工业机器人都具备；基座轴、工装轴是用于机器人、工件整体移动的辅助轴，当系统配置有变位器时需要使用。在工业机器人系统中，基座轴、工装轴统称为“外部轴”或“外部关节”（extjoint）。
同一机械单元的所有运动轴可进行成组管理。机器人操作或编程时，可根据需要，通过生效/撤销机械单元来改变系统的控制对象。
在ABB机器人中，机械单元（控制轴组）可通过系统参数定义，不同的机械单元需要定义不同的名称。在RAPID程序中，可通过机械单元启用/停用指令，来/关闭指定机械单元全部运动轴的伺服驱动器，使该机械单元的运动轴处于实时位置控制状态，或处于保持位置不变的伺服锁定状态。
机器人TCP的运动需要通过三维笛卡尔直角坐标系来描述。在ABB机器人中，笛卡尔坐标系有下图所示的大地坐标系（World coordinates）、基座坐标系（Base coordinates）、工具坐标系（Tool coordinates）、用户坐标系（User coordinates）和工件坐标系（Object coordinates）等，说明如下。
大地坐标系
大地坐标系（World coordinates）有时被译为“世界坐标系”，它是以地面为基准的三维笛卡尔直角坐标系，可用来描述物体相对于地面的运动。在多机器人协同作业系统或使用机器人变位器的系统中，为了确定机器人（基座）的位置，需要建立大地坐标系。此外，如机器人采用了下图所示的倒置或倾斜安装，大地坐标系也是设定基座坐标系的基准。
通常情况下，地面垂直安装的机器人基座坐标系与大地坐标系的方向一致，因此，对于常用的、地面垂直安装的单机器人系统，系统默认为大地坐标系和基座坐标系重合，此时，可不设定大地坐标系。
基座坐标系
基座坐标系（Base coordinates）亦称为机器人坐标系，它是以机器人安装基座为基准、用来描述机器人本体运动的虚拟笛卡尔直角坐标系。基座坐标系是描述机器人TCP在三维空间运动所必需的基本坐标系，机器人的手动操作、程序自动运行、加工作业都离不开基座坐标系，因此，任何机器人都需要有基座坐标系。
基座坐标系通常以腰回转轴线为Z轴、以机器人安装底面为XY平面；其Z轴正向与腰回转轴线方向相同，X轴轴线与腰回转轴j1的0°线重合，手腕离开机器人向外方向为X轴正向；Y轴由图3.1-3所示的右手定则确定。
工具坐标系
工具坐标系（Tool coordinates）是机器人作业必需的坐标系，建立工具坐标系的目的是确定工具的TCP位置和安装方式（姿态）。通过建立工具坐标系，机器人使用不同的工具作业时，只需要改变工具坐标系（工具数据tooldata），就能保证TCP到达指令点，而无需对程序进行其他修改。
机器人手腕上的工具安装法兰面和中心点是工具的安装定位基准。以工具安装法兰中心点（TRP）为原点、垂直工具安装法兰面向外的方向为Z轴正向、手腕向机器人外侧运动的方向为X轴正向的虚拟笛卡尔直角坐标系，称为机器人的手腕基准坐标系。手腕基准坐标系是建立工具坐标系的基准，如未设定工具坐标系，控制系统将默认为工具坐标系和手腕基准坐标系重合。
工具坐标系是用来确定工具TCP位置和工具方向（姿态）的坐标系，它通常是以TCP为原点、以工具接近工件方向为Z轴正向的虚拟笛卡尔直角坐标系；常用的点焊、弧焊机器人的工具坐标系一般如下图所示。
用户坐标系
用户坐标系（User coordinates）是以下图所示的工装位置为基准来描述TCP运动的虚拟笛卡尔直角坐标系，通常用于工装移动协同作业系统或多工位作业系统。
通过建立用户坐标系，机器人在不同工位进行相同作业时，只需要改变用户坐标系（工件数据wobjdata），就能保证工具TCP到达指令点，而无需对程序进行其他修改。
在RAPID程序中，用户坐标系可通过工件数据（wobjdata）定义，有关内容详见后述。对于通常的工件固定、机器人移动工具作业，用户坐标系以大地坐标系为基准建立；对于工具固定、机器人移动工件作业，用户坐标系则以手腕基准坐标系为基准建立。
工件坐标系
工件坐标系（Object coordinates）是以工件为基准来描述TCP运动的虚拟笛卡尔坐标系。通过建立工件坐标系，机器人需要对不同工件进行相同作业时，只需要改变工件坐标系，就能保证工具TCP到达指令点，而无需对程序进行其他修改。
工件坐标系可在用户坐标系的基础上建立，并允许有多个。对于工具固定、机器人用于工件移动的作业，必须通过工件坐标系来描述TCP与工件的相对运动。
在RAPID程序中，工件坐标系同样需要通过工件数据（wobjdata）定义；如果机器人仅用于单工件作业，系统默认用户坐标系和工件坐标系重合，无需另行设定工件坐标系。
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