第四章：机器人运动学基础

4.1 坐标系：机器人的“世界观”

做焊接编程，第一件事就是搞清楚机器人在哪、焊枪在哪、工件在哪。说白了，就是坐标系的事。

我个人习惯把坐标系分成四层：世界、基座、工具、工件。你想想看，这就像你站在车间里，先找到自己的位置，再找到手里的工具，最后对准要焊的零件。

4.1.1 世界坐标系

世界坐标系是全局参考。它通常固定在车间地面上，所有机器人都以它为基准。我在项目里遇到过，两台机器人协同焊接时，如果世界坐标系没校准好，焊出来的焊缝能偏出5毫米。嗯，那场面挺尴尬的。

4.1.2 基座坐标系

基座坐标系固定在机器人底座上。原点在底座安装面中心，Z轴向上。这个坐标系是机器人自己的“原点”。你编程时，大部分运动指令其实默认就是基座坐标系。

4.1.3 工具坐标系

工具坐标系（TCP）在焊枪末端。我建议你每次换焊枪或夹持器后，都重新标定一下TCP。为什么？因为焊丝伸出长度变了，TCP位置就变了。我曾经因为偷懒没标定，结果焊了20个工件全废了。

4.1.4 工件坐标系

工件坐标系是用户自定义的。你把工件放在工作台上，测量几个点，就能建立这个坐标系。好处是：如果工件位置偏移了，你只需要更新工件坐标系，不用改程序。

4.2 关节运动与线性运动

机器人怎么动？两种基本方式：关节运动和线性运动。

4.2.1 关节运动（JOINT）

关节运动是每个轴独立转动。路径不可预测，但速度快。适合在空行程、大范围移动时用。

我记得有一次，新手程序员用关节运动做焊接路径，结果焊枪在焊缝中间突然“甩”了一下，因为某个关节角度到了极限。嗯，这就是关节运动的坑——路径不可控。

4.2.2 线性运动（LINEAR）

线性运动是TCP沿直线移动。路径可控，姿态稳定。焊接、搬运、装配等精度要求高的场合，必须用线性运动。

我建议你：所有焊接路径都用线性运动。空行程可以用关节运动，但接近工件前10毫米，一定要切回线性运动。

4.3 姿态控制：欧拉角与四元数

姿态控制是机器人编程的难点。说白了，就是焊枪怎么“拿”的问题。角度不对，焊缝质量就完蛋。

4.3.1 欧拉角

欧拉角用三个角度（Rx, Ry, Rz）描述姿态。直观，但有个大问题——万向锁。

我在项目里遇到过，用欧拉角编程时，焊枪转到某个角度突然“卡住”了，怎么调都不对。后来发现是万向锁。解决办法？换四元数。

表示方式	优点	缺点
欧拉角	直观，容易理解	有万向锁，插值不平滑
四元数	无万向锁，插值平滑	不直观，四个数难理解

4.3.2 四元数

四元数用四个数（w, x, y, z）表示姿态。没有万向锁，插值平滑。我建议你：在需要平滑过渡、避免姿态突变时，用四元数。

举个例子：焊接一个圆弧焊缝，用欧拉角编程，焊枪在圆弧中点可能会突然“扭”一下。用四元数，姿态变化就非常平滑。

4.4 知识体系结构图

4.5 避坑指南

做焊接编程这些年，我踩过不少坑。分享几个典型的：

• TCP标定不准： 我曾经用一把旧焊枪，TCP偏了2毫米，结果焊了50个工件才发现。从那以后，我每次换焊丝都重新标定。
• 万向锁： 用欧拉角编程时，如果焊枪姿态接近90度，就会触发万向锁。解决办法：用四元数，或者调整路径点。
• 坐标系混淆： 新手容易把基座坐标系和工件坐标系搞混。我建议你：在程序开头明确注释当前使用的坐标系。

嗯，运动学基础就这些。记住：坐标系是骨架，运动是肌肉，姿态控制是灵魂。三者配合好，焊接质量自然就上去了。

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