關鍵詞：工業機器人坐標系、工業機器人軸、坐標系

坐標系，是理科常用輔助方法，常見有直線坐標系，平面直角坐標系。為了說明質點的位置、運動的快慢、方向等，必須選取其坐標系。在參照系中，為確定空間一點的位置，按規定方法選取的有次序的一組數據，這就叫做“坐標”。在某一問題中規定坐標的方法，就是該問題所用的坐標系。

坐標系是為確定機器人的位置和姿態而在機器人或空間上進行定義的位置指標系統。坐標系分為關節坐標系和直角坐標系。

機器人坐標系確定

機器人程序中所有點的位置都和坐標系關聯，同時這個坐標系也可能和另一個坐標系關聯。

機器人的各種坐標系都由正交的右手定則來決定，如圖3所示。當圍繞平行于X 、Y 、Z 軸線的各軸旋轉時，分別定義為A 、B 、C 。A 、B 、C 的正方向分別是X 、Y 、Z 正方向上右手螺旋前進的方向（見圖4）。

右手坐標系

旋轉坐標系

常用的坐標系是絕對坐標系、機座坐標系、機械接口坐標系和工具坐標系。

一、工業機器人關節坐標系

關節坐標系是設定在機器人關節中的坐標系。關節坐標系中機器人的位置和姿態，以各關節底座側的關節坐標系為基準而確定。

J1:0° J2:0° J3:0° J4:0° J5:0° J6:0°

下圖1中的關節坐標系的關節值為：

坐標系示例

工具坐標系

二、工業機器人直角坐標系

直角坐標系中的機器人的位置和姿態，通過從空間上的直角坐標系原點到工具側的直角坐標系原點（工具中心點）的坐標值x、y、z和空間上的直角坐標系的相對X軸、Y軸、Z軸周圍的工具側的直角坐標系的回轉角w、p、r予以定義。下圖2為（w、p、r）的含義。

三、工業機器人世界坐標系

世界坐標系是被固定在空間上的標準直角坐標系，其被固定在由機器人事先確定的位置。用戶坐標系是基于該坐標系而設定的。它用于位置數據的示教和執行。有關各機器人（R系列/M系列/ARC Mate/LR Mate）的世界坐標系原點位置的大致標準為：

① 頂吊安裝機器人、M-710iC以外：在J1軸上水平移動J2軸而交叉的位置。

② 頂吊安裝機器人、M-710iC：J1軸處于0位時，離開J4軸最近的J1軸上的點。

世界坐標系

四、工業機器人工具坐標系

這是用來定義工具中心點（TCP）的位置和工具姿態的坐標系。工具坐標系必須事先進行設定。在沒有定義的時候，將由默認工具坐標系來替代該坐標系。

五、工業機器人用戶坐標系

這是用戶對每個作業空間進行定義的直角坐標系。它用于位置寄存器的示教和執行、位置補償指令的執行等。在沒有定義的時候，將由世界坐標系來替代該坐標系。

六、什么是工業機器人坐標系？

坐標系：為確定機器人的位置和姿態而在機器人或空間上進行的位置指標系統。

坐標系包含：基坐標系（Base Coordinate System）、大地坐標系（World Coordinate System）、工具坐標系（Tool Coordinate System）、工件坐標系（Work Object Coordinate System）。

七、工業機器人工具坐標系

機器人工具座標系是由工具中心點 TCP 與座標方位組成。

機器人聯動運行時，TCP 是必需的。

1、 Reorient 重定位運動（姿態運動）機器人 TCP 位置不變，機器人工具沿座標軸轉動，改變姿態。

2、Linear 線性運動機器人工具姿態不變，機器人 TCP 沿座標軸線性移動。

機器人程序支持多個 TCP，可以根據當前工作狀態進行變換。

機器人工具被更換，重新定義 TCP 后，可以不更改程序，直接運行。

3、定義工具坐標系的方法：

①N（N＞＝4）點法／TCP法－機器人 TCP 通過N種不同姿態同某定點相碰，得出多組解，通過計算得出當前 TCP 與機器人手腕中心點 （ tool0 ） 相應位置，座標系方向與 tool0 一致。

②TCP＆Z法－在N點法基礎上，Z點與定點連線為座標系 Z 方向。

③TCP＆X，Z法－在N點法基礎上，X點與定點連線為座標系 X 方向，Z點與定點連線為座標系 Z 方向。

八、工業機器人工件坐標系

機器人工件座標系是由工件原點與座標方位組成。

機器人程序支持多個 Wobj，可以根據當前工作狀態進行變換。

外部夾具被更換，重新定義 Wobj 后，可以不更改程序，直接運行。

通過重新定義 Wobj，可以簡便的完成一個程序適合多臺機器人。

1、定義工件坐標系的方法：

三點法－點 X1 與 點 X2 連線組成 X 軸，通過點 Y1 向 X 軸作的垂直線，為 Y 軸。

2、工業機器人工件坐標系（Obje c tCoordinate System）與工件相關，通常最適于對機器人進行編圖2 世界坐標系程。工件坐標系對應工件，它定義工件相對于大地坐標系（或其他坐標系）的位置。

3、工業機器人置換坐標系（Displacement CoordinateSystem）又稱為位移坐標系，有時需要對同一工件、同一段軌跡在不同工位上加工，為了避免每次重新編程，可以定義一個置換坐標系。置換坐標系基于工件坐標系定義。如圖3所示，當置換坐標系被激活后，程序中的所有點都將被置換。

4、工業機器人腕坐標系（WristCoordinate System）和工具坐標系都是用來定義工具方向的。在簡單應用中，腕坐標系可以定義為工具坐標系，兩者重合。腕坐標系的Z 軸和機器人的第6根軸重合，如圖4所示，坐標系原點位于末端法蘭盤中心，X 軸方向與圖3 置換坐標系圖4 腕坐標系法蘭盤上標識孔的方向相同或相反，Z 軸垂直向外，Y 軸符合右手法則。

5、工業機器人工具坐標系（ToolCoordinate System）安裝在末端法蘭盤上的工具需要在其中心點（TCP）定義一個工具坐標系，通過坐標系的轉換，可以操作機器人在工具坐標系下運動，以方便操作。如果工具磨損或更換，只需重新定義工具坐標系，而不用更改程序。工具坐標系建立在腕坐標系下，即兩者之間的相對位置和姿態是確定的。

腕坐標系

6、工業機器人關節坐標系（Join tCoordinate System）用來描述機器人每個獨立關節的運動，關節類型可能不同（ 如移動關節、轉動關節等）。若將機器人末端移動到期望位置，在關節坐標系下操作，可以依次驅動各關節運動，從而引導機器人末端到達指定的位置。

九、工業機器人軸和坐標系概述

工業機器人在生產中，一般需要配備除了自身性能特點的外圍設備，如轉動工件的回轉臺，移動工件的移動臺等。這些外圍設備的運動和位置控制都需要與工業機器人相配合并要求相應精度。通常機器人運動軸按其功能可劃分為機器人軸、基座軸和工裝軸，基座軸和工裝軸統稱外部軸。

機器人軸是指操作本體的軸，屬于機器人本身，目前商用的工業機器人大多以8軸為主。基座軸是使機器人移動軸的總稱，主要指行走軸（ 移動滑臺或導軌）。工裝軸是除機器人軸、基座軸以外軸的總稱，指使工件、工裝夾具翻轉和回轉的軸，如回轉臺、翻轉臺等。實際生產中常用的是6關節工業機器人，該操作機有6個可活動的關節（軸）。附表與圖1為常見工業機器人本體運動軸的定義，值得注意的是，不同的工業機器人本體運動軸的定義也不同。用于保證末端執行器達到工作空間任意位置的軸稱為基本軸或主軸；用于實現末端執行器任意空間姿態的軸，稱為腕部軸或次軸；圖2是YASKAWA工業機器人各運動軸的關系。

圖1 典型機器人各運動軸

圖2 YASKAWA工業機器人各運動軸的關系

1、工業機器人軸的定義

①工業機器人軸可以為旋轉軸也可以為平移軸，軸的運行方式由機械結構決定。

②工業機器人軸分為機器人本體的運動軸和外部軸。

③工業機器人外部軸又分為滑臺和變位機。

④如果不特別指明，工業機器人軸即指機器人本體的運動軸。

2、機器人坐標系的種類

在示教模式下，機器人軸運動方向與當前選擇的坐標系有關。

①關節坐標系：機器人各軸進行單獨動作，稱為關節坐標系。

②直角坐標系：機器人的控制中心點沿設定的X、Y、Z 方向運行。

③工具坐標系：工具坐標系位于機器人腕法蘭盤的夾具上，由用戶自己定義。夾具的有效方向定義為工具坐標系的Z 軸。

④用戶坐標系：用戶坐標系位于機器人抓取的工件上，由用戶自己定義。

十、機床坐標系與工件坐標系的區別

1、性質不同

①工件坐標系：編程時使用的坐標系。

②機床坐標系：以機床原點O為坐標系原點并遵循右手笛卡爾直角坐標系建立的由X、Y、Z軸組成的直角坐標系。

2、建立方法不同

①工件坐標系建立方法：通過機床操作面板手動輸入到數控車床相應的刀具補償單元。數控系統根據該位置預設的坐標值，通過坐標變換計算確定工件坐標系原點的位置，使機床坐標系o的原點偏移到所需工件坐標系的原點。這樣就建立了一個以O為原點的工件坐標系。

②機床坐標系建立方法：

（1）先確定Z軸。

（2）再確定X軸。（X軸始終水平，且平行于工件裝夾面）

（3）最后確定Y軸。按右手笛卡兒直角坐標系確定。

十一、結語

坐標系的種類很多，常用的坐標系有：笛卡爾直角坐標系、平面極坐標系、柱面坐標系（或稱柱坐標系）和球面坐標系(或稱球坐標系)等。中學物理學中常用的坐標系，為直角坐標系，或稱為正交坐標系。

從廣義上講：事物的一切抽象概念都是參照于其所屬的坐標系存在的，同一個事物在不同的坐標系中就會有不同抽象概念來表示，坐標系表達的事物有聯系的抽象概念的數量【既坐標軸的數量】就是該事物所處空間的維度。

兩件能相互改變的事物必須在同坐標系中。

本文詳細介紹了工業機器人坐標軸命名與常用坐標系的確定，以期對使用者有所幫助。由于工業機器人品種眾多，每種工業機器人的坐標系也很多，其命名、確定方式雖然有標準，但是有的生產廠家又不按標準執行，各有各的叫法。在實際生產應用時就顯得非常混亂麻煩。歡迎補充留言！