李志謙

【摘 要】機器人坐標定義是其編程定點的關鍵一環(huán)，既影響機器人編程技術員的工作效率也決定機器人運動軌跡是否準確。本文從坐標的分類、坐標標定原則和技巧出發(fā)介紹機器人坐標的使用要素，歸納機器人編程時把坐標應用于定點的要領。

【關鍵詞】機器人;坐標;定點

中圖分類號： TP242.2-4;G434 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0026-004

0 引言

隨著《中國發(fā)展2025》的實施，工業(yè)機器人成為智能制造中的核心技術，世界四大機器人品牌ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA以及國內眾多機器人廠商紛紛搶占市場。無論哪一個牌子的機器人，其工作原理和控制方式都大同小異，編程指令和方法也是不相上下。每一個機器人都有具體的工作對象和任務，它每一次的移動都是根據坐標值精確定位的。每一款機器人都提供了多種工作坐標的類型以便快速適應編程定點，機器人系統(tǒng)集成技術人員掌握坐標的示教技巧和建立原則能大大地提高編程定點的效率，為程序的可靠運行打下基礎，機器人技術的初學者往往分不清各種坐標及其應用場合。

1 工業(yè)機器人的坐標本質

1.1 坐標的分類

不同牌子的機器人同一類坐標的名稱叫法不一，但可以歸納為以下四類：關節(jié)坐標、世界坐標、用戶坐標、工具坐標。關節(jié)坐標狀態(tài)用于機器人各個軸的單獨運動，世界坐標是機器人出廠就已經集成在系統(tǒng)上的大地坐標，如果不建立用戶坐標則世界坐標的方向就是用戶坐標的方向;用戶坐標是機器人技術員在編程調試時針對機器人工作對象的定點加工而設立的坐標，可以根據實際定義多個用戶坐標;工具坐標是機器人本體最后一軸安裝的工具上的坐標，如果不定義工具坐標，對關節(jié)機器人來說工具坐標的中心就是機器人最后一軸的法蘭中心，工具坐標是編程必須定義的坐標，因為機器本身不知道它自己安裝的工具大小和長短，只有通過定義工具坐標才能讓機器人把默認的法蘭中心坐標遷移到所裝工具上，讓工具能在工作對象上準確定點。

關節(jié)坐標、世界坐標是固定的，工具坐標、用戶坐標是因隨機器人工作的對象而自主定義。在圖1中可以看到，默認世界坐標的Z軸正方向是向上的，但第六軸法蘭坐標的Z軸正方向是向下的，可以通過自定義的方式改變坐標方向。

1.2 各坐標之間的關系

在機器人的示教器中，用不同坐標狀態(tài)來查看同一個姿態(tài)，會顯示不同的數值，實際上只要機器人的姿態(tài)確定，坐標就確定，實際的坐標值只有一個，只不過是不同角度的表達;世界坐標、用戶坐標、關節(jié)坐標顯示的數值是因參考點不同而表達不同而已。從圖1可以看到，世界坐標是面向機器人以底座為基點，采用笛卡爾坐標系建立的坐標;用戶坐標可以看作是根據世界坐標而設立的一個“偏移”斜面，用戶坐標上的每一點可以映射到世界坐標上;關節(jié)坐標是以各軸的零點為基準的移動距離或旋轉角度;工具坐標可以看作是在用戶坐標基礎上根據偏移算法和旋轉算法建立的偏移坐標。

工業(yè)機器人要完成運行軌跡，每一個點的移動可以看作是不同姿態(tài)在用戶坐標下的改變加上工具在工具坐標上的改變。準確把握各坐標的關系，根據不同場合靈活選用不同坐標進行定點示教是機器人應用中最基本的技能。

1.3 機器人運行與坐標選取的關系

機器人示教工作點是編程的基礎工作，點與點之間的運動無非是直線運動和圓弧運動，示教點選用的是關節(jié)坐標則編程指令就要選用關節(jié)運動指令控制點之間的運動，若示教時選用關節(jié)坐標而運動指令選用直線命令則會造成機器人在點與點之間的運動容易出現(xiàn)奇異點報警而停止運行，或者示教時能在兩個點之間準確移動，但程序運行起來軌跡就會產生較大誤差。直線路徑點的編程也是同樣的道理。

從本質上看，機器人的三維運動是在坐標上完成的，六軸機器人、四軸機器人之所以能準確實現(xiàn)點之間的準確移動除了依靠精密的減速機外，也離不開控制每條軸工作的伺服器，更離不開協(xié)調各伺服器相互配合的控制系統(tǒng)。

2 機器人坐標建立技巧

2.1 工具坐標

機器人的工具分為兩類——尖細型工具（如氬弧焊焊槍、鋁焊焊槍、電焊焊槍、涂膠噴頭、雕刻刀、吸盤）和夾緊型工具（如手爪）。對于尖細型工具來說，定義其工具坐標只要在加工工件上對著加工點進行示教即可，定義的關鍵點在于工具坐標的Z軸方向要垂直于加工點，這樣在編程移動時才能快速定位。圖2是根據氬弧焊、鋁焊的焊槍在工件上運動時焊槍嘴要正對焊縫的工藝要求所定的工具坐標。在雕刻中把機器人裝的雕刻刀的工具坐標定義為垂直石膏面、木板面也是為了在垂直加工和帶角度加工時能快速變換刻刀角度。

尖細型工具的工具坐標示教比較簡單，只要取一個機器人運動范圍內的工作點，例如豎立一根蠟燭，以蠟燭的尖端來進行示教即可。點的工具坐標也可以找工件上的一個點進行三點法、四點法、六點法的示教，示教過程注意不同點中機器人的變換姿態(tài)要盡量大，各軸都要有明顯變化;但在搬運中的手爪抓取的物體不是一個點，也不能看成一個點，手爪工具坐標的示教最好是在工件上進行，圖3就是手爪Z軸在工件重心上的定點方法，保證Z軸與工件重心盡量重合才能保持機器人抓取和搬運工件是平穩(wěn)、安全的。對于一些不規(guī)則的工件或帶有斜面的工件需要依賴配套的夾具來實現(xiàn)牢固夾緊。

機器人工具坐標是動態(tài)坐標，在機器人變換姿態(tài)時會不斷改變，但編程定點是以工具尖端進行的，編程定點時機器人記錄的是每一個點的坐標值，以焊接來說，只要焊槍不更換，動態(tài)的工具坐標會使每一個加工點如圖4垂直于焊縫或保持編程示教時該點的角度和相對焊槍的距離，正因為工具坐標隨加工軌跡而變才能保證加工工藝的統(tǒng)一。

2.2 用戶坐標

不管是曲面還是平面，兩個面相交的外角超過90度就要在該面上定義一個用戶坐標，目的是讓機器人在XYZ方向移動時是平行加工面的，如圖5，如果焊接車身架的三個面就要定義三個用戶坐標，加工哪一個面，在示教定點和編程時就要切換到該面的用戶坐標。

曲面的用戶坐標應定在其切面上，這樣才能兼顧曲面不同位置盡管曲率不同，但機器人的XY移動方向逼近曲面切線。

用戶坐標是靜態(tài)的，它根據技術員的編程習慣來靈活定義，例如可以把Z軸的正方向定義為向上或向下都是可以的，在使用機器人示教器定點時按“Z+”鍵，機器人移動的方向就是與技術員定義的Z+方向一樣了，在用戶坐標下編程，機器人是把世界坐標遷移到用戶坐標來了，不需要再顧慮世界坐標的影響。只要示教時示教器選取的是用戶坐標，所記錄的點的坐標也就是用戶坐標下的數據。

3 機器人編程快速定點與坐標選用要領

3.1 先選工具坐標和用戶坐標再編程定點

程序執(zhí)行是在一套工具坐標和用戶坐標下執(zhí)行的，不同面采用不同用戶坐標時在程序中必須指明每段程序使用的是哪一個用戶坐標，否則出現(xiàn)程序調整時，調整者與編程者所用坐標不一致可能導致機器人運動軌跡與原程序偏離。

有時關節(jié)型機器人是通過法蘭轉動來更換不同工具對不同位置進行加工，此時更換工具后，程序中要注意更換后的工具坐標管轄的程序范圍，在示教工具坐標時兩個工具坐標可以定義為全局坐標，但要注意名字不能相同。無論機器人帶多少個工具或變換多少個工具，每一個工具都要示教一個唯一的工具坐標。

3.2 工具坐標必須示教，使用偏移指令時一定要示教好用戶坐標

工具坐標一般是在機器人工作現(xiàn)場針對工件進行標定的，在固定機器人并把工件固定在工作臺后進行，工具坐標只影響是否把機器人法蘭中心點坐標轉移到工具前端來，對偏移指令的使用是沒有影響的。用戶坐標表達的是工件某個面的坐標，偏移指令是在機器人運動的XYZ任何一個方向的基礎上進行的偏移，例如碼垛中，往往重復同一個偏移方向和偏移值，如果貨物平放地面，示教用戶坐標時Z方向與地面不垂直將會導致以垂直計算的Z方向偏移量無法讓機器人抓取到工件，甚至出現(xiàn)機器人與工件發(fā)生“碰撞”。

為了使程序調試中減少意外的發(fā)生，應分段運行程序觀察執(zhí)行效果，降低調試時機器人的運動速度，萬一出現(xiàn)意外碰撞則要重新修正示教點。在設計運行軌跡時要考慮最優(yōu)路徑，一方面為了提高執(zhí)行效率，另一方面避免程序中用戶坐標經常變換。

3.3 選好逼近點

逼近點是指機器人工具到達真正工作點前的一個接近點，逼近點的設立為了提高機器人對點定位的準確性，逼近點可以不止一個，可以逐級逼近。例如機器人把工件從A點搬運到C點，在C點的上方設立了逼近點B，在運動時機器人從A點到B點可以是關節(jié)運動或圓弧運動，但B點到C點要為直線運動，目的是保證B點到真正的工作點C時手爪能垂直對準工件進行包圍抓取。

3.4 出現(xiàn)奇異點的處理方法

對于六軸機器人，如果第五軸運動時接近其零點是最容易出現(xiàn)奇異點的報警導致機器人停止工作的;奇異點是機器人運動的姿態(tài)達到其運動極限而出現(xiàn)的，示教時該點不出現(xiàn)奇異點的報警不代表運行時在該點不報警，因為機器人從其他點運動到該點的姿態(tài)變換是系統(tǒng)運算決定的，有可能跟示教過程的姿態(tài)不一樣。出現(xiàn)奇異點，首先要切換到關節(jié)坐標，消除報警;再用關節(jié)坐標讓機器人運動離開奇異點;最后才重新示教記錄奇異點附近點的機器人姿態(tài)，直到運行時沒有出現(xiàn)奇異點報警為止。

4 機器人運動軌跡偏離的坐標排查思路

4.1 從指令執(zhí)行方式和坐標定義的準確性出發(fā)分析運動軌跡偏差成因

機器人直線運動指令是以兩點一線的原理來使用的，機器人兩條運動軌跡之間需要過渡，如圖6，哪怕是兩條直線的過渡，運動指令執(zhí)行速度大小和過渡方式會影響轉角處的軌跡，所以出現(xiàn)運動軌跡與工藝之間的偏差時不要單純考慮工具坐標、用戶坐標的標定是否準確，還要考慮指令本身的特點。

4.2 檢查用戶坐標和工具坐標示教的準確性

讓機器人遠離工件，把示教器分別切換到用戶坐標和工具坐標狀態(tài)，在用戶坐標中觀察使用X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-鍵時機器人是否在所定義的用戶坐標平面上移動，是否發(fā)生偏差，若有偏差則要重新示教用戶坐標;在工具坐標狀態(tài)下，用示教器X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-軸的鍵移動機器人觀察機器人的工具是否在工具坐標平面移動，用示教器鍵旋轉機器人，看是否分別繞工具坐標的X軸、Y軸、Z軸旋轉。

4.3 確保程序中記錄的示教點與示教過程所用的坐標對應

程序使用了不同的用戶坐標和工具坐標時，在程序中要指明哪段程序使用的是哪個用戶坐標和工具坐標，也可以采用子程序的方式把不同坐標下運動的模塊放入一個功能區(qū)。不同牌子的機器人對示教時記錄的點的定義是不一樣的，有些牌子把每一個點都作為全局變量來處理，但有些牌子作為局部變量來處理，要根據不同機器人牌子的使用要求來檢查。

5 小結

機器人工具坐標必須根據安裝的工具在現(xiàn)場標定，機器人程序編程中每個點實際對應一個工具坐標和一個用戶坐標，一個程序在編程定點時只要選擇了固定的坐標，機器人在編程定點時可以在用戶坐標、關節(jié)坐標、世界坐標下進行，機器人記錄點是在用戶坐標狀態(tài)下記錄的，所以選擇合適的用戶坐標可以給編程定點帶來快捷。

【參考文獻】

[1]張愛紅，張秋菊.機器人示教編程方法[J].組合機床與自動化加工技術.2003，4：47-49.

[2]徐?；郏瑢O首群，魏會芳.噴印機器人工具坐標系標定[J].河北科技大學學報.2014，3：222-228.

[3]劉亮.標記機器人的關鍵技術研究[D].上海：上海交通大學，2016.

[4]張文增，陳強，孫振國，湯曉華.弧焊機器人工件坐標系快速標定方法[J].焊接學報.2015，7：1-4.

[5]康存鋒，王紅偉，張鵬飛，李舒進，陳樹君.焊接機器人工具坐標系標定的研究與實現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學學報.2016，1：30-34.

[6]李宏勝，汪允鶴.六關節(jié)工業(yè)機器人工具坐標系的標定[J].自動化技術與應用.2016，8：101-104.