位姿

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本节介绍机器人视觉与运动中位姿的基本概念和常用类型,是机器人完成视觉识别、路径规划与运动控制的基础。

位姿由位置与姿态组成,用于描述物体在空间中的位置与朝向。通常表示为一个坐标系(如工具坐标系、工件坐标系)相对于另一个坐标系(如机器人坐标系、相机坐标系)的空间关系。位姿一般由六个分量(X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)构成,分别对应空间位置与绕各坐标轴的旋转。

工件位姿

工件位姿是工件上某一点相对于机器人底座坐标系的位姿。放置工件时,一般让工件位姿与某个目标位姿重合。

basic concepts pose

工件位姿常用于 3D 识别与抓取规划阶段。视觉系统输出工件在相机坐标系下的位姿,并根据手眼标定结果将其转换为机器人坐标系下的工件位姿,用于确定抓取点或装配位点的空间位置。

机器人位姿

机器人位姿是指机器人在三维空间中的位置和方向,通常使用工具位姿或关节角表示。

工具位姿

工具位姿是工具坐标系相对于机器人坐标系的位姿描述,用于表示末端工具在空间中的位置与姿态。它包括末端工具的位置(x、y、z)和姿态(通常使用欧拉角、旋转矩阵或四元数表示)。

tool pose

工具位姿的参考点为工具中心点(TCP, Tool Center Point),即工具坐标系的原点。TCP 是定义在末端工具上或外部的一个参考点,用于描述工具在空间中的位置和方向。其位置相对于机器人末端法兰的位姿定义,通常设置在工具的关键位置(如吸盘中心、夹爪抓取点或焊接头尖端)。在机器人执行任务(如工件抓取、焊接或喷涂)时,机器人运动的本质是让工具中心点(TCP)移动到目标点。

  • 欧拉角

    欧拉角(Euler Angles)是一种用于描述物体在三维空间中旋转的方法。

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    它由三个角度组成,分别对应三个轴的旋转。这三个轴通常是围绕物体固定坐标系中的X、Y和Z轴旋转。 同一空间姿态可以用多种欧拉角表示,欧拉角表示方法不唯一,为了避免歧义,各个品牌机器人通常都会只挑选一种欧拉角表示方法。关于欧拉角类型及表示方法的更多介绍,请参见欧拉角

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  • 四元数

    为了避免使用欧拉角的死锁问题,部分机器人厂家选择使用四元数表示空间中的姿态,四元数大致定义为用三个数定义一个空间旋转轴,用第四个数定义旋转角度,工具坐标系初始状态绕该空间旋转轴旋转该角度后即可达到目标姿态。

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  • 旋转矢量

    旋转矢量又称轴角,用于描述末端工具旋转状态。

    目前已知只有UR使用。

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工具位姿是路径规划与抓取执行的核心参数。在路径节点、目标位点或手动示教中,用户输入和调整的均为工具位姿,机器人依据该位姿执行直线或关节运动,以完成抓取、放置等任务。

关节角

关节角指的是机器人的各个关节相对于其初始位置或基准位置的旋转角度。这种描述方式更贴近机器人的硬件结构,表示每个关节的状态。

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关节角通过正运动学计算映射到工具位姿,而工具位姿通过逆运动学计算映射到关节角。

在实际应用中,关节角常用于正运动学计算、逆解验证与机器人姿态复现。在离线仿真中,Mech-Viz 通过关节角确定每一时刻的机器人姿态;在控制通信中,若机器人支持接收关节角数据, Mech-Viz 可直接发送规划结果中的关节角,从而实现与仿真中完全一致的运动轨迹。

法兰位姿

法兰位姿是机器人法兰坐标系在机器人坐标系下的位姿,其表示方式与工具位姿表示方式一致,可以视为工具中心点位于法兰中心,且没有任何旋转的特殊工具位姿。

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各机器人厂家定义的法兰坐标系默认朝向不同,导致法兰位姿默认角度不同。如ABB默认X轴朝下,而FANUC默认X轴向上。此外,大部分机器人的法兰位姿都是Z轴垂直于法兰表面向外,但图灵机器人X轴朝外。

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法兰位姿主要用于手眼标定、末端工具安装与姿态验证。在手眼标定中,可利用法兰位姿与相机坐标系下的标定板位姿计算外参变换;在更换末端工具或验证 TCP 偏移时,也常以法兰位姿作为基准。

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