1.3.3 工业机器人常用坐标系
机器人系统常用的坐标系有如下几种。
（1）基坐标系（Base coordinate system）
基坐标系，又称为机座坐标系。位于机器人基座。如图1-31与图1-34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，这使固定安装的机器人的移动具有可预测性。因此它对于将机器人从一个位置移动到另一个位置很有帮助。在正常配置的机器人系统中，当人站在机器人的前方并在基坐标系中微动控制，将控制杆拉向自己一方时，机器人将沿X轴移动；向两侧移动控制杆时，机器人将沿Y轴移动。扭动控制杆时，机器人将沿Z轴移动。
图1-34 机器人的基坐标系
（2）世界坐标系（World coordinate system）
世界坐标系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。然而，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，如果两台或更多台机器人共同协作完成一项任务时，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。如果分别在两台机器人的基坐标系中进行运动控制，则很难预测相互协作运动的情况。在此情况下，可以定义一个世界坐标系，选择共同的世界坐标系取而代之。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。如图1-30与图1-35所示，当在工作空间内同时有几台机器人时，使用公共的世界坐标系进行编程有利于机器人程序间的交互。
图1-35 世界坐标系
A—基坐标系；B—基坐标系；C—世界坐标系
（3）用户坐标系（User coordinate 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，对于相同的工件，如果放置在不同的工作台上，在一个工作台上完成工件加工示教编程后，如果用户的工作台发生变化，不必重新编程，只需相应地变换到当前的用户坐标系下。用户坐标系是在基坐标系或者世界坐标系下建立的。如图1-36所示，用两个用户坐标系来表示不同的工作平台。
图1-36 用户坐标系
A—用户坐标系；B—大地坐标系；C—基坐标系；D—移动用户坐标系；E—工件坐标系
（4）工件坐标系（Object coordinate system）
工件坐标系与工件相关，通常是最适于对机器人进行编程的坐标系。
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，如图1-37所示。
图1-37 工件坐标系
A—大地坐标系；B—工件坐标系1；C—工件坐标系2
工件坐标系是拥有特定附加属性的坐标系。它主要用于简化编程，工件坐标系拥有两个框架：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，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本。对机器人进行编程时，就是在工件坐标系中创建目标和路径。这带来很多优点：重新定位工作站中的工件时，只需更改工件坐标系的位置，所有路径将即刻随之更新。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 coordinate system）
置换坐标系又称为位移坐标系，有时需要对同一个工件、同一段轨迹在不同的工位上加工，为了避免每次重新编程，可以定义一个置换坐标系。置换坐标系是基于工件坐标系定义的。如图1-38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1-38 置换坐标系
（6）腕坐标系（Wrist coordinate system）
腕坐标系和工具坐标系都是用来定义工具的方向的。在简单的应用中，腕坐标系可以定义为工具坐标系，腕坐标系和工具坐标系重合。腕坐标系的Z轴和机器人的第6根轴重合，如图1-39所示，坐标系的原点位于末端法兰盘的中心，X轴的方向与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1-39 腕坐标系
（7）工具坐标系（Tool coordinate 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。图1-33与图1-40表示不同工具的工具坐标系的定义。
图1-40 工具坐标系
（8）关节坐标系（Joint coordinate system）
关节坐标系用来描述机器人每个独立关节的运动，如图1-41所示。所有关节类型可能不同（如移动关节、转动关节等）。假设将机器人末端移动到期望的位置，如果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。
图1-41 关节坐标系