图1 典型机器人各运动轴

图2 YASKAWA工业机器人各运动轴的关系

2. 机器人坐标系确定

机器人程序中所有点的位置都和坐标系关联，同时这个坐标系也可能和另一个坐标系关联。

机器人的各种坐标系都由正交的右手定则来决定，如图3所示。当围绕平行于X 、Y 、Z 轴线的各轴旋转时，分别定义为A 、B 、C 。A 、B 、C 的正方向分别是X 、Y 、Z 正方向上右手螺旋前进的方向（见图4）。

图3 右手坐标系

图4 旋转坐标系

常用的坐标系是绝对坐标系、机座坐标系、机械接口坐标系和工具坐标系。

（1）绝对坐标系与机器人的运动无关，以地球为参照系的固定坐标系（见图5），符号为O 0、X 0、Y 0、Z 0。原点O 0、+X 0轴由用户根据需要来确定；+Z 0轴与重力加速度的矢量共线，但方向相反。

（2）机座坐标系是以机器人机座安装平面为参照系的坐标系，符号为O 1、X 1、Y 1、Z 1。原点O 1由机器人制造厂规定；+Z 1轴垂直于机器人机座安装面，指向机器人机体；X1轴方向由原点指向机器人工作空间中心点Cw（见GB／T12644—2001）在机座安装面上的投影。当由于机器人的构造不能实现此约定时，X 1轴的方向可由制造厂规定。

（3）机械接口坐标系是以机械接口为参照系，符号为O m、X m、Y m、Z m。原点O m是机械接口的中心；+Z m轴的方向垂直于机械接口中心，并由此指向末端执行器；+X m轴由机械接口平面和X 1、Z 1平面（或平行于X 1、Z 1图2 YASKAWA工业机器人各运动轴的关系图3 右手坐标系 图4 旋转坐标系图5 坐标系示例图6 工具坐标系的平面）的交线来定义，同时机器人的主、副关节轴处于运动范围的中间位置。当机器人构造不能实现此约定时，应由制造厂规定主关节轴位置。+X m轴的指向远离Z 1轴。

（4）工具坐标系以安装在机械接口上的末端执行器为参照系（见图6），符号为O t、X t、Y t、Z t。原点O t是工具中心点（TCP）；+Zt轴与工具有关，通常是工具指向；在平板式夹爪型夹持器夹持时，+Y t是手指运动平面的方向。

图5 坐标系示例

图6 工具坐标系

3. 工业机器人常用坐标系

（1） 基坐标系（ B a s eCoordinate System），又称为机座坐标系，位于机器人基座。如图5所示，它是最便于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。基坐标系在机器人基座中有相应的零点，这使固定安装机器人的移动具有可预测性。在正常配置的机器人系统中，工人可通过控制杆进行该坐标系的移动。

（2）世界坐标系（Wo r l dCoordinate System），又称为大地坐标系或绝对坐标系。如果机器人安装在地面， 在基坐标系下示教编程很容易，但当机器人吊装时，机器人末端移动直观性差，因而示教编程较为困难。

另外，如果两台或多台机器人共同协作时，例如，一台安装于地面，另一台倒置，倒置机器人的基坐标系也将上下颠倒（ 见图7）。当分别在两台机器人的基坐标系A 、B 中进行运动控制时，很难预测相互协作运动的情况。

图7 世界坐标系

此时，可以定义一个共同的世界坐标系C 取而代之。若无特殊说明，单台机器人世界坐标系和基坐标系是重合的。

（3） 用户坐标系（U s e rCoordinate System），机器人可以和不同的工作台或夹具配合工作， 在每个工作台上建立一个用户坐标系。机器人大部分采用示教编程的方式，步骤繁琐，对于相同工件，若放置在不同工作台进行操作，不必重新编程，只需相应地变换到当前用户坐标系下。用户坐标系在基坐标系或者世界坐标系下建立。

（4）工件坐标系（Obje c tCoordinate System）与工件相关，通常最适于对机器人进行编图7 世界坐标系程。工件坐标系对应工件，它定义工件相对于大地坐标系（或其他坐标系）的位置。

工件坐标系拥有特定附加属性，主要用于简化编程。他拥有两个框架：用户框架（与大地基座相关）和工件框架（与用户框架相关） 。机器人可以拥有若干工件坐标系， 表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干状态。对机器人进行编程就是在工件坐标系中创建目标和路径，重新定位工作站中的工件时，只需更改工件坐标系的位置，所有路径将随之更新。允许操作以外轴或传送导轨移动的工件，因为整个工件可连同其路径一起移动。

（5） 置换坐标系（Displacement CoordinateSystem）又称为位移坐标系，有时需要对同一工件、同一段轨迹在不同工位上加工，为了避免每次重新编程，可以定义一个置换坐标系。置换坐标系基于工件坐标系定义。如图8所示，当置换坐标系被激活后，程序中的所有点都将被置换。

图8 置换坐标系

（6） 腕坐标系（WristCoordinate System）和工具坐标系都是用来定义工具方向的。在简单应用中，腕坐标系可以定义为工具坐标系，两者重合。腕坐标系的Z 轴和机器人的第6根轴重合，如图9所示，坐标系原点位于末端法兰盘中心，X 轴方向与图8 置换坐标系图9 腕坐标系法兰盘上标识孔的方向相同或相反，Z 轴垂直向外，Y 轴符合右手法则。

图9 腕坐标系

（7） 工具坐标系（ToolCoordinate System）安装在末端法兰盘上的工具需要在其中心点（TCP）定义一个工具坐标系，通过坐标系的转换，可以操作机器人在工具坐标系下运动，以方便操作。如果工具磨损或更换，只需重新定义工具坐标系，而不用更改程序。工具坐标系建立在腕坐标系下，即两者之间的相对位置和姿态是确定的。

（8） 关节坐标系（Join tCoordinate System）用来描述机器人每个独立关节的运动，关节类型可能不同（ 如移动关节、转动关节等）。若将机器人末端移动到期望位置，在关节坐标系下操作，可以依次驱动各关节运动，从而引导机器人末端到达指定的位置。

4. 结语

由于工业机器人品种众多，每种工业机器人的坐标系也很多，其命名、确定方式虽然有标准，但是有的生产厂家又不按标准执行， 各有各的叫法。在实际生产应用时就显得非常混乱麻烦。本文详细介绍了工业机器人坐标轴命名与常用坐标系的确定，以期对使用者有所帮助。

文章来源：本来管理、汽车供应链物流规划与改善

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