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菜鸟聊机器人-工业机器人坐标系

日期:2020-09-02 人气: 来源:www.bearpaipai.com 作者:ABB机器人维修

简介:想学好工业机器人就要熟悉机器人的控制,工业机器人基本靠控制运动轴位置和电磁元件通断来进行运动。运动轴位置控制一般用来改变工具作业点,它可驱动机器人关节运动或机器人、工件的整体移动;在机器人应用程序中,运动轴位置可通过基本移动指令控制。基本……
  
  想学好工业机器人就要熟悉机器人的控制,工业机器人基本靠控制运动轴位置和电磁元件通断来进行运动。运动轴位置控制一般用来改变工具作业点,它可驱动机器人关节运动或机器人、工件的整体移动;在机器人应用程序中,运动轴位置可通过基本移动指令控制。基本移动指令属于通用指令,只要机器人的控制系统相同,即使工业机器人的用途有所区别,但移动指令的格式、编程要求仍一致。
  部分工业机器人可能还包含特殊的运动轴位置控制要求,例如,点焊机器人的伺服焊钳控制、分拣机器人的同步跟踪控制、探测机器人的传感器引导运动和摄像控制等。此类机器人的控制系统通常需要选配特殊功能,并通过专门的RAPID移动指令进行控制。
  多关节机器人的运动复杂,为了实现对机器人本体运动轴的控制,需要对机器人的工具参考点(Tool Reference Point,TRP)位置进行定义,以便建立其运动控制模型。
  例如,在图示的6轴串联机器人上,TRP就是机器人手腕上的工具安装法兰中心点。为了确定TRP,在控制系统中,需要定义基座高度(height_of_foot),j2、j3轴中心偏移(offset_off_joint_2、offset_off_joint_3),下臂、上臂长度(length_of_lower_arm、length_of_upper_arm)以及手腕长度(length_of_wrist)等结构参数。
  结构参数是机器人运动控制的前提条件,且与机器人结构密切相关,故需要机器人生产厂家在系统参数上设置。在RAPID应用程序中,ABB机器人的结构参数一般在系统模块(System module)中定义,该模块由ABB公司编制,并可在系统启动时自动加载,并且不受用户作业程序删除操作的影响。
  TRP也是确定工具作业点、设定工具数据的基准位置。工业机器人的工具作业点又称为工具控制点(Tool Control Point,TCP)或工具中心点(Tool Center Point,TCP),它是机器人关节、直线、圆弧插补等移动指令的控制对象,指令中的起点、终点就是TCP在指定坐标系上的位置值。TCP的位置与工具形状、安装方式密切相关;不安装工具时,TCP就是TRP。
  机器人作业程序中的移动指令大多用来控制机器人TCP和工件(或基准)的相对运动, TCP的位置取决于机械部件的运动。例如,通过机器人本体的运动,可使TCP和机器人基座产生相对运动;通过机器人基座的整体移动,可使TCP和大地产生相对运动;通过工件的整体运动,可使TCP和工件产生相对运动等。
  可驱动机器人TCP运动的运动轴众多、组成形式多样,简单系统可能只有单一的机器人本体运动;复杂机系统可能需要控制多个机器人以及机器人变位器、工件变位器等诸多辅助部件运动。例如,下图所示的双机器人协同作业系统,实际上包含机器人1、机器人2、机器人变位器、工件变位器共4个运动部件。
  为了便于控制与编程,在控制系统内部,通常需要根据机械部件的功能与用途,对运动轴进行分组管理,将系统分为若干个具有独立功能和若干个运动轴的基本运动单元。在ABB机器人说明书中,将这样的单元称为机械单元(Mechanical unit);而在安川等公司生产的机器人说明书中,则将其称为“控制轴组”。
  工业机器人系统的运动轴一般可分为机器人单元(机器人轴组)、基座单元(基座轴组)和工装单元(工装轴组)3类。
  01机器人单元
  机器人轴是用于机器人本体运动控制的坐标轴,用来控制机器人TCP和机器人基座的相对运动。在多机器人控制系统上,可分为机器人1(ROB_1)、机器人2 (ROB_2)等多个轴组(单元);机器人单元一旦选定,对应的机器人就成为系统的控制对象。
  02基座单元
  基座轴是驱动机器人安装基座、实现机器人整体变位的辅助运动轴,用来控制机器人基座及TCP和大地的相对运动。基座单元一旦选定,机器人变位器就成为系统的控制对象。
  03工装单元
  工装轴是驱动工装运动、实现工件整体变位的辅助运动轴,用来控制机器人TCP和工件的相对运动。工装单元一旦选定,工件变位器就成为系统的控制对象。
  机器人轴是系统的基本运动轴,任何工业机器人都具备;基座轴、工装轴是用于机器人、工件整体移动的辅助轴,当系统配置有变位器时需要使用。在工业机器人系统中,基座轴、工装轴统称为“外部轴”或“外部关节”(extjoint)。
  同一机械单元的所有运动轴可进行成组管理。机器人操作或编程时,可根据需要,通过生效/撤销机械单元来改变系统的控制对象。
  在ABB机器人中,机械单元(控制轴组)可通过系统参数定义,不同的机械单元需要定义不同的名称。在RAPID程序中,可通过机械单元启用/停用指令,来/关闭指定机械单元全部运动轴的伺服驱动器,使该机械单元的运动轴处于实时位置控制状态,或处于保持位置不变的伺服锁定状态。
  机器人TCP的运动需要通过三维笛卡尔直角坐标系来描述。在ABB机器人中,笛卡尔坐标系有下图所示的大地坐标系(World coordinates)、基座坐标系(Base coordinates)、工具坐标系(Tool coordinates)、用户坐标系(User coordinates)和工件坐标系(Object coordinates)等,说明如下。
  大地坐标系
  大地坐标系(World coordinates)有时被译为“世界坐标系”,它是以地面为基准的三维笛卡尔直角坐标系,可用来描述物体相对于地面的运动。在多机器人协同作业系统或使用机器人变位器的系统中,为了确定机器人(基座)的位置,需要建立大地坐标系。此外,如机器人采用了倒置或倾斜安装,大地坐标系也是设定基座坐标系的基准。
  通常情况下,地面垂直安装的机器人基座坐标系与大地坐标系的方向一致,因此,对于常用的、地面垂直安装的单机器人系统,系统默认为大地坐标系和基座坐标系重合,此时,可不设定大地坐标系。
  基座坐标系
  基座坐标系(Base coordinates)亦称为机器人坐标系,它是以机器人安装基座为基准、用来描述机器人本体运动的虚拟笛卡尔直角坐标系。基座坐标系是描述机器人TCP在三维空间运动所必需的基本坐标系,机器人的手动操作、程序自动运行、加工作业都离不开基座坐标系,因此,任何机器人都需要有基座坐标系。
  基座坐标系通常以腰回转轴线为Z轴、以机器人安装底面为XY平面;其Z轴正向与腰回转轴线方向相同,X轴轴线与腰回转轴j1的0°线重合,手腕离开机器人向外方向为X轴正向;Y轴由图3.1-3所示的右手定则确定。
  工具坐标系
  工具坐标系(Tool coordinates)是机器人作业必需的坐标系,建立工具坐标系的目的是确定工具的TCP位置和安装方式(姿态)。通过建立工具坐标系,机器人使用不同的工具作业时,只需要改变工具坐标系(工具数据tooldata),就能保证TCP到达指令点,而无需对程序进行其他修改。
  机器人手腕上的工具安装法兰面和中心点是工具的安装定位基准。以工具安装法兰中心点(TRP)为原点、垂直工具安装法兰面向外的方向为Z轴正向、手腕向机器人外侧运动的方向为X轴正向的虚拟笛卡尔直角坐标系,称为机器人的手腕基准坐标系。手腕基准坐标系是建立工具坐标系的基准,如未设定工具坐标系,控制系统将默认为工具坐标系和手腕基准坐标系重合。
  工具坐标系是用来确定工具TCP位置和工具方向(姿态)的坐标系,它通常是以TCP为原点、以工具接近工件方向为Z轴正向的虚拟笛卡尔直角坐标系;常用的点焊、弧焊机器人的工具坐标系
  用户坐标系
  用户坐标系(User coordinates)是以下图所示的工装位置为基准来描述TCP运动的虚拟笛卡尔直角坐标系,通常用于工装移动协同作业系统或多工位作业系统。
  通过建立用户坐标系,机器人在不同工位进行相同作业时,只需要改变用户坐标系(工件数据wobjdata),就能保证工具TCP到达指令点,而无需对程序进行其他修改。
  在RAPID程序中,用户坐标系可通过工件数据(wobjdata)定义,有关内容详见后述。对于通常的工件固定、机器人移动工具作业,用户坐标系以大地坐标系为基准建立;对于工具固定、机器人移动工件作业,用户坐标系则以手腕基准坐标系为基准建立。
  工件坐标系
  工件坐标系(Object coordinates)是以工件为基准来描述TCP运动的虚拟笛卡尔坐标系。通过建立工件坐标系,机器人需要对不同工件进行相同作业时,只需要改变工件坐标系,就能保证工具TCP到达指令点,而无需对程序进行其他修改。
  工件坐标系可在用户坐标系的基础上建立,并允许有多个。对于工具固定、机器人用于工件移动的作业,必须通过工件坐标系来描述TCP与工件的相对运动。
  在RAPID程序中,工件坐标系同样需要通过工件数据(wobjdata)定义;如果机器人仅用于单工件作业,系统默认用户坐标系和工件坐标系重合,无需另行设定工件坐标系。

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