【光电智造】机器人坐标系用法和算法原理

来源:今日光电发布时间:2023-05-131759浏览

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机器人都有一个不会变的坐标系，叫基坐标系或世界坐标系（每家叫法不同，原理一样）。

基坐标系是怎么来的呢？

机器人坐标系

拿6轴机器人举例：

第一轴的旋转轴

一般都会定义机器人第一轴的旋转轴为基坐标系Z轴，旋转中心即是坐标系原点，X和Y的方向是的电机零点确定，所以只要你不更换电机的零点和机械结构，单个机器人里这个基坐标系是永远不会变的！

机器人外部轴

有一种情况会重新设定新（基）坐标系，新坐标系为世界坐标系（每家不同的叫法，你可以认为就是一个基坐标系），那就是机器人加外部行走轴，或外部旋转轴，用行走轴举例，这种情况会把基坐标设在行走轴的零点位置，如果有多个行走轴，那就把基坐标设定到最底层那根轴的零点处,所以机器人配置外部轴的原理就是测量一些机械参数，把机器人1轴上的基坐标系变换到外部行走轴上，这种变换也叫D-H变换，下面讲工具坐标系时候详细说明。

用户坐标系

上面内容确定了一个（基）坐标系，就可以通过齐次变换推算出工具坐标系和用户坐标系了！

用户坐标系

先说用户坐标系，用户坐标系的本质是把（基）坐标系旋转偏移到工件上，是为了方便编程，让机器人的移动方向和工件表面的方向一致！例如，有个倾斜45度的工件表面，如果你用基坐标系，机器人就是沿着基座系方向行走，横平竖直的，很难沿着45度的表面行走，对编程来说难操作。所以就通过齐次变换偏移旋转（基）坐标系，得到新的用户坐标系!

其次，变换旋转算法

再次，变换平移加旋转算法

再其次，变换后得到新的用户坐标系

工具坐标系

工具坐标系又叫TCP，机器人的精度和这个关系很大。它是在机器人末端执行器，也就是抓手或焊枪上的。这个坐标系是相对于六轴不动，但是实际机器人六轴会不停动作，这个坐标系也就跟随6轴实时变换！

工具坐标系

我们常说的机器人在什么位置，坐标数据是多少？实际就是工具坐标系（TCP）原点在基坐标系或者用户坐标系下的X、Y、Z、A、B、C的数值，X、Y、Z就是坐标系的三个坐标轴，A、B、C是以工具坐标系原点（TCP）为旋转中心，绕坐标系X，绕Y，绕Z旋转的角度数据（有的机器人,比如KUKA旋转是A、B、C对应绕Z，绕Y，绕X；标准欧拉角也是ZYX这样旋转的。），这里注意这个旋转中心，机器人都用欧拉角，它的旋转中心是TCP，不是绕着基坐标或者用户坐标的轴旋转，这里说的绕X旋转，其实是把坐标系平移到TCP位置，再绕坐标系X旋转！懂向量的就很容易理解为什么这样了，因为转换计算都是单位向量矩阵的形式！

怎么得到TCP的呢？其实也和不会变的基坐标有很大关系，确定了基坐标，基坐标的Z轴可以想象成一轴电机的旋转轴，一轴电机的零点就可以确定X和Y方向，这样就把一轴的关节坐标数据转换成笛卡尔XYZ坐标系的形式！同样的道理，二轴的电机相对于一轴机械位置和零点也是固定的，通过机械参数就可以把二轴的关节也转换成坐标系形式，三轴相对于二轴，四轴相对于三轴，五轴相对于四轴，六轴相对于五轴，都是有相对位置和零点固定不变的情况，这个就是6轴串联机器人，这样一轴一轴转换到六轴，六轴再转换到工具（焊枪或抓手）上，得出的坐标系就是相对于六轴固定不变的工具坐标系也就是TCP，如下图。

TCP计算图示

关节坐标系

这个坐标系很简单，就是六个电机的旋转角度！在关节坐标下，我们通过改变六个电机的数据，单独动作每个关节！实际它的最大用处是逆运算，也就是我们用用户坐标系或者基坐标系加TCP运动机器人的时候，机器人内部要把坐标系的数据，反推成六个关节电机的数据，这个非常复杂，而且解还不是唯一的（我上一篇里讲的机器人姿态参数），这里就不细说了，以后有空单独讲！