机器人坐标系用法和算法原理

时间：2024/01/17　　点击量：

　　刮削板奥凯迪喷码设备输出构件铁床外力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）。

　　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！

　　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。

　　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！

　　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!

　　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！

　　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。

　　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！

　　我讲个外部TCP的程序原理，其它的应用多数是标准应用，不需要更改啥，但是外部TCP用的比较多，有的需要在标准外部TCP的程序基础上做些改进，以满足现场需求！

　　啥是外部TCP呢？我们前面所说的TCP（工具坐标系），可以理解成机器人的旋转中心，你拿着焊枪的时候，把TCP定义在枪尖，机器人旋转就会绕着枪尖转，机器人角度动作而枪尖位置不动，这样对于焊接需要拐弯的时候特别有用，焊枪拐弯了，但是焊丝还在焊接位置，不会跑偏！

　　外部TCP正好是和TCP相反的操作，如果焊枪没有装在机器人上，机器人是拿着工件去焊接的，那你把机器人的旋转中心定义在哪里好呢，定义在哪里都不行，如果定义了机器人只能绕着定义那个TCP位置旋转，但是焊接轨迹是移动的，移动到其它位置你再旋转，机器人固定的焊枪就不在焊接轨迹上了，严重的会碰撞！

　　比如我知道第一个焊接点位，根据点位的坐标齐次变换算出一个TCP，TCP和这个焊接点位重合。

　　焊接移动过程中的下一个点位坐标换算出新的TCP，和当前点位重合。这样每个点位自动生成一个TCP，比如焊接100mm长的焊缝，机器人内部算法把这100mm，分割成10000份，每份都有个TCP，这样就实现了TCP的动态赋值，也就是外部TCP的原理了！

　　基座标是固定不动的，可以换算出用户坐标和工具坐标；其它的外部TCP属于扩展应用，离不开前面三种坐标系！

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