1.工业机械手定义 

工业机械手，依据国际标准化组织（ISO）的技术报告，被定义为“一种具备自动控制、 可重复执行预设程序、功能多样且拥有多个自由度机械特性的机械设备”。简而言之，现代工业机械手是模拟人类手腕与手掌动作机能，集多种动作功能于一体的自动化装置。 

工业机械手凭借其卓越的多动作操作能力，极大地推动了多品种、小批量生产自动化的发展进程，使得过去难以实现的复杂生产任务变得高效可行。

2.空间中的自由度  

在三维空间中，一个未受约束的物体理论上拥有六个自由度：沿三个正交方向（X、Y、Z）的平动自由度，以及绕这三个方向（RX、RY、RZ）的旋转自由度。当物体被限制在某 一平面（如XY 平面）上时，其自由度减少至三个：沿 X、Y 方向的平动自由度及绕垂直于该平面的轴（Z 轴）的旋转自由度。

以标准SCARA 机械手为例，其末端执行器具备四个自由度：可在XY 平面内移动（2 轴）、绕 Z 轴旋转（3 轴）以及沿Z 轴方向升降（4 轴）。相比之下，六自由度机械手则能 在三维空间内实现任意运动，因此拥有六个自由度。

3.坐标系  

（1）关节坐标系  

关节坐标系涵盖了机械手的所有关节，各关节之间相互独立，坐标单位通常为角度，简写为J。操作某一关节时，不会影响其他关节的坐标值。例如，在初始状态下，所有关节的坐标均设为0°（J1:0°, J2:0°, J3:0°, J4:0°, J5:0°, J6:0°）。

（2）世界坐标系  

世界坐标系是固定在空间中的标准直角坐标系，其位置根据机械手的具体类型确定。在虚拟轴操作中，机械手的运动是基于世界坐标系进行的，此时各关节会自动计算所需的旋转角度。

4.关节轴与虚拟轴  

（1）关节轴  

关节轴指的是机械结构中的实际旋转关节，在程序中通常以旋转角度表示（某些结构中 也可能为平移轴）。由于电机与旋转关节之间存在减速比，因此在设置单位时需按照实际关 节旋转一圈来设定，同时在填写结构参数时，应以旋转关节中心为准，而非电机轴中心。 

（2）虚拟轴  

虚拟轴是抽象出来的概念，代表世界坐标系的六个自由度（X、Y、Z、RX、RY、RZ），可视为直角坐标系的三个直线轴和三个旋转轴。虚拟轴用于确定机械手末端执行器的加工轨 迹与坐标。若某框架的虚拟轴包含RX、RY、RZ，则该框架的末端坐标系矩阵可通过旋转 矩阵计算得出：末端坐标系矩阵= Rotz(Rz) * Roty(Ry) * Rotx(Rx)，先Roll(X 轴)→再Pitch(Y 轴)→最后Yaw(Z 轴)。这是典型的Z-Y-X 欧拉角(Yaw-Pitch-Roll)定义，先绕X 轴转Rx→再绕Y 轴转Ry→最后绕Z 轴转Rz，但每一步的旋转轴都是“已经被前面旋转过的未端坐标系轴”。 

5.正解运动与逆解运动  

（1）正解运动  

通过操作关节坐标，并结合机械结构参数，可计算出末端执行器在直角坐标系中的空间位置，这一过程称为正解运动。在正解模式下，操作的是实际关节轴，而虚拟轴的坐标则由 系统自动计算。控制器使用CONNREFRAME 指令建立正解模式，该指令作用于虚拟轴。在此模式下，虽只能操作关节轴，但关节轴可执行各种运动，不过实际运动轨迹并非直线或圆弧。正解模式通常用于手动调整关节位置或上电点位回零。 

（2）逆解运动  

给定直角坐标系中的一个空间位置，反推出各关节轴的坐标，这一过程称为逆解运动。在逆解模式下，操作的是虚拟轴，而实际关节轴的坐标则由系统自动解算并驱动运动。控制器同样使用CONNFRAME指令建立逆解模式，但此时该指令作用于关节轴。在此模式下，只能操作虚拟轴，虚拟轴可在笛卡尔坐标系中执行直线、圆弧、空间圆弧等运动，关节轴则在CONNFRAME指令的作用下自动运动至逆解后的位置。

6.机械手姿态

从数学角度来看，机械手姿态指的是同一组虚拟轴数值对应的多组关节轴解。即机械手在笛卡尔坐标系中运动到某一坐标点时，可以有多种运动轨迹，这些轨迹对应着不同的姿态。

如下图SCARA的两种姿态，在X方向运动，关节轴可以有两种运动方式。

对于六轴机械手而言，其姿态的多样性和复杂性更为显著。姿态多样性：六轴机械手由于拥有六个自由度，其姿态的多样性远超四轴或SCARA机械手。例如，在执行焊接任务时，不同的焊接姿态会影响焊接质量与效率。通过调整各关节角度，可实现多种焊接姿态，如垂直焊接、倾斜焊接等，以满足不同工件的焊接需求。姿态与稳定性：机械手的姿态不仅影响作业效率，还关系到机械手的稳定性和精度。例如，在装配任务中，合适的姿态能减少误差，提高装配精度。姿态规划：在实际应用中，为避免碰撞、提高作业效率，需对机械手姿态进行合理规划。例如，在搬运重物时，需确保机械手处于稳定姿态，以保证搬运过程的平稳与安全。工业机器人行业里常说起6自由度机械手三类奇异点，分别是肩部奇异点、肘关节奇异点、腕关节奇异点，共形成8组逆解。

7.奇异点  

当机械手运动到某一特定位置时，可能会失去某个自由度，这个位置被称为奇异点。在实际应用中，应尽量避免机械手进入奇异点。 如SCARA机械手完全伸直时，此时无法在X 方向平动，操作往X 负向运动时，结构无法判断使用哪种姿态运动，此时结构会卡住。为避免出现此种问题，需要正解时调整好姿态，逆解时规划好轨迹。
对于六轴机械手，奇异点的情况更为复杂。
结构限制：六轴机械手在特定姿态下，如某些关节轴处于极限位置时，可能出现奇异点。例如，当某个旋转关节达到机械限位时，机械手可能无法沿某一方向平动或旋转，导致运动 受限。
影响与规避：奇异点会导致机械手运动不稳定，甚至可能损坏机械结构。为避免此类问题，需在编程时进行姿态检查与调整，确保机械手在运动过程中不进入奇异点区域。例如，在规划路径时，可通过逆解运动提前预判奇异点位置，并调整运动轨迹，使机械手绕过奇异点，保证运动的连续性与稳定性。
多轴协同的复杂性：六轴机械手由于关节多、自由度高，其奇异点问题较四轴、SCARA机械手更为复杂。需综合运用各轴的运动特性，通过合理规划各轴的运动顺序与幅度，来规避奇异点带来的影响。 

8.零点位置  

在建立机械手算法时，需要设定一个零点位置作为参考，并确定电机的转向。六轴机械手因结构复杂，其零点位置与电机转向需精确标定与调整，以确保机械手启动与运行时的精准定位。 

9.正运动机械手模式  

机械手有几个电机称为几关节机械手，控制实际机械关节运动的电机轴称为机械手的关节轴，所有的关节轴构成关节坐标系，关节轴在此坐标系中按角度旋转。控制机械手末端工作点在世界坐标系下运动，世界坐标系的坐标轴假想为虚拟轴，按距离单位移动。关节轴和虚拟轴通过CONNREFRAME 或CONNFRAME 指令来指明，只要轴数足够，控制器支持多机械手。程序可以通过运动指令(所有的运动指令都可以使用)控制关节轴或虚拟轴运动，但同一时刻只能操作虚拟轴或者关节轴。操作关节轴运动时，虚拟轴需要位于CONNREFRAME 模式，从而自动指向当前的空间坐标；操作虚拟轴运动时，关节轴需要位于CONNFRAME模式，从而自动指向当前的关节轴坐标。机械手建立是通过CONNREFRAME（正解）和CONNFRAME（逆解）指令，CONNREFRAME 时虚拟轴MTYPE（运动类型）值为34，CONNFRAME 时关节轴MTYPE 值为33，可以通过MTYPE 来查看特定轴是否位于对应的模式。通过CANCEL 或RAPIDSTOP 指令可以取消机械手模式。

注意：

机械手处于逆解模式时关闭使能，此时推动机械手，机械手反馈位置mpos 变化了，但虚拟轴的位置不变，逆解实时计算输出的dpos不变，导致mpos 和dpos不一致，重新给使能会飞车。使用机械手frame，每个frame都需要通过table传入参数，table的臂长和一圈脉冲数不能为0，同时进入正逆解之后，table的数据不能中途改变，否则会飞车。建议table使用规划和保护，避免出现问题。