机器人坐标变换实现研究

机器人坐标变换实现研究

作者：黄玄庆

来源：《科学与信息化》2019年第18期

摘要本文介绍了GR-C机器人基于不同的工具坐标和用户坐标系下，通过三点法、五点法或手动输入修改坐标，实现机器人不需重新示教而快速转换使用不同的工具和加工不同的工件。本功能在如今自动化行业中广泛使用，使工业技术更为灵活、方便。

关键词机器人;坐标转换;用户坐标;工具坐标

引言

随着工业自动化的不断发展，工业机器人在各行业中大范围普及。工业机器人在一个三维空间运动中，我们可以用关节坐标系或笛卡尔坐标系描述和说明它当前的位置关系。机器人笛卡尔空间也时常需要进行工具坐标与用户坐标的转换，这种机器坐标之间的变换就称为坐标变换，本文主要以GR-C系列机器人作为对象对工具和用户坐标系的变换来实现不同坐标下的轨迹现象。

1 坐标系的定义

GR-C机器人坐标系包括关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系、用户坐标系。

（1）关节坐标系：机器人的各轴相对原点位置的绝对角度，如图1-1。

（2）直角坐标系：（也称笛卡尔坐标系）为机器人系统的基础坐标系，以各关节底座侧的关节角位置组成。其他笛卡尔坐标系均直接或者间接的基于此坐标系，如图1-2。

（3）工具坐标系：把机器人法兰盘所持工具的有效方向作为 Z 轴，并把坐标系原点定义在工具的尖端点，如图1-3。

（4）用户坐标系中：机器人沿所指定的用户坐标系各轴平行移动或绕各轴旋转，如图1-4。

2 工具坐标转换

工具坐标的设定方法分为直接输入法、三点法和五点法。

在已知工具尺寸等详细参数时，可使用直接输入法完成工具坐标系的设定。相反，我们可选择其他两种，本文使用了三点法。

工具三点法设定：首先，将工具中心点以Z方向靠近参考点，记录原点位置。然后，将工具中心点以X方向靠近参考点，记录原点位置。最后，将工具中心点以Y方向靠近参考点，记录原点位置，为取得更好的计算结果，三个方向尽可能相差90°且不能在一个平面上。

（1）准备好两个工具A（长50mm）、B（100mm）。先把机器人装上工具A，用三点法把工具A坐标记录在系统工具号0。

（2）换上工具B，用三点法设定系统工具号1。

（3）机器人装上工具A

（4）添加切换系统工具号为1的指令

（5）编辑插补轨迹，在同一个平面下使用MOVL指令添加两条，示教点分别是P1、

P2。

（6）添加切换系统工具号为2的指令

（7）添加两条插补指令MOVL，示教点也是分别是P1、P2

其中需要注意的是，GR-C系统在不同工具号的点插补会有限制，需要设定不同的设置，会有不同效果，如下：

①“禁止在坐标号不同的兩点间前进/后退”。

②“允许在坐标号不同的两点间前进/后退”。

③“允许在坐标号不同的两点间前进/后退，且改变为最后示教点的坐标号”。

3 用户坐标转换

用户坐标的设定方法分为直接输入法、三点法。

如果知道工件在直角坐标系下位置的情况，可以使用直接输入法即可。

用户三点法设定：移动机器人至用户坐标系的原点，记录用户坐标系的原点。然后示教机器人沿用户自己希望的+X 方向移动至少250mm，记录X方向点，最后示教机器人沿用户自己希望的+Y方向移动至少250mm，记录Y方向点。为保证计算的正确性，在取第三个点，也就是Y方向的点时，尽量使其和+X方向垂直，并取在用户所期望的工作台平面上。

（1）在同一平面下，用三点法设定用户坐标1和用户坐标2。

（2）添加切换用户号为1的指令

（3）编辑插补轨迹，使用MOVL添加两条直线插补指令，示教点分别是P1、P2

（4）添加切换用户号为2的指令

（5）添加两条插补指令MOVL，示教点也是分别是P1、P2

4 机器人坐标变换程序设计

GR-C系列机器人提供工具、用户坐标操作的用户指令编程，使用户操作更加方便、快捷。本次程序设计如下：

4.1 工具变换

UTOOL NUM0;切换系统工具号为0

MOVL P1 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P1

MOVL P2 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P2

UTOOL NUM1 ; 切换系统工具号为1

MOVL P1 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P1

MOVL P2 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P2

4.2 用户变换

UFRAME NUM1;切换系统用户号为1

MOVL P1 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P1

MOVL P2 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P2

UFRAME NUM2 ; 切换系统用户号为2

MOVL P1 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P1

MOVL P2 ，V50 ，Z0 ; 运动到点P2

5 结果分析

本文使用了GR-C系列机器人进行了不同工具（工具A 50mm，工具B 100mm）、通过工具坐标变换，保持了机器人末端轨迹不变，通过用户坐标变换，是机器人在该用户下的轨迹不变。结果证明了机器人在不同工具、不同用户坐标下，控制器进行不同坐标的转换运算，保证了程序正常运行的效果。

参考文献

[1] John J.Craig 机器人学导论机械工业出版社 2006.6