工業(yè)機(jī)器人的TCP

“要確定一個剛體在空間的位姿，須在物體上固連一個坐標(biāo)系，然后描述該坐標(biāo)系的原點位置和它三個軸的姿態(tài)，總共需要六個自由度或六條信息來完整地定義該物體的位姿?！?/p>

上面這段話是摘自Saeed B. Niku的《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論——分析、系統(tǒng)及應(yīng)用》。想象一下，一個物體在空間可以在X\Y\Z三個方向平動，也可以圍繞著X/Y/Z轉(zhuǎn)動，這就是為什么有6個自由度的原因了。

工業(yè)機(jī)器人使用的途徑就是要裝上工具（TOOL）來操作對象，那么如何描述工具在空間的位姿呢，顯然，方法就是在工具上綁定(定義)一個坐標(biāo)系即工具坐標(biāo)系TCS(Tool Coordinate System)，那么這個TOOL坐標(biāo)系的原點就是所謂的TCP點 (Tool Center Point) 工具中心點。在機(jī)器人軌跡編程時，就是將工具在另外定義的工作坐標(biāo)系中的若干位置X/Y/Z和姿態(tài)Rx/Ry/Rz記錄在程序中。當(dāng)程序執(zhí)行時，機(jī)器人就會把TCP點移動到這些編程的位置。

常規(guī) TCP

無論是何種品牌的工業(yè)機(jī)器人，事先都定義了一個工具坐標(biāo)系，無一例外地將這個坐標(biāo)系XY平面綁定在機(jī)器人第六軸的法蘭盤平面上，坐標(biāo)原點與法蘭盤中心重合。顯然，這時TCP就在法蘭盤中心。不同品牌的機(jī)器人有不同的稱呼，ABB機(jī)器人把這個工具坐標(biāo)系稱為tool0，REIS機(jī)器人稱之為tnull。

下圖拿REIS的機(jī)器人3D模型RV10-6來說明，為了突顯出默認(rèn)的工具坐標(biāo)系，特將模型的本體做了透明化處理。

雖然可以直接使用這個默認(rèn)的TCP，但是在實際使用時，用戶顯然希望自己來定義自己的TCP點來更好的操作對象機(jī)器人第七軸，比如焊接時，用戶希望把TCP點定義到焊絲的尖端機(jī)器人第七軸，那么程序里記錄的位置便是焊絲尖端的位置，記錄的姿態(tài)便是焊槍圍繞焊絲尖端轉(zhuǎn)動的姿態(tài)。

下圖是一個新的工具坐標(biāo)系的例子，僅向Z軸方向平移，形成的新的坐標(biāo)系。

實際上，用戶自定義TCP時，是定義了新的tool坐標(biāo)系原點在tool0坐標(biāo)系中的位置，以及新tool坐標(biāo)系在tool0坐標(biāo)系中的姿態(tài)。如果考慮到動力學(xué)因素，還要定義工具的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量。以便更好地使機(jī)器人在真實物理世界空間中運動。

這種TCP是和機(jī)器人法蘭盤相對位置是固定的，是最常用的TCP類型。

前面介紹的TCP是跟隨機(jī)器人本體一起運動，但是也可以將TCP定義為機(jī)器人本體以外靜止的某個位置。常應(yīng)用在涂膠上，膠罐噴嘴靜止不動，機(jī)器人抓取工件移動。其本質(zhì)是一個工件坐標(biāo)系。

前面介紹的TCP是相對于機(jī)器人本體法蘭盤坐標(biāo)系，或者大地坐標(biāo)系，但隨著更復(fù)雜的應(yīng)用，TCP可以延伸到機(jī)器人本體軸外部，應(yīng)用在TCP需要相對法蘭盤做動態(tài)變化的場合。這種可稱之為動態(tài)工具(Dynamic Tool），其TCP可稱之為動態(tài)TCP。

TCP精度

隨著全球工業(yè)自動化生產(chǎn)的持續(xù)升級，作為生產(chǎn)自動化主要實現(xiàn)手段之一的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，不僅已廣泛應(yīng)用于搬運、噴漆、焊接等作業(yè)，而且也開始應(yīng)用于諸如自動裝配、尺寸檢測等超精密作業(yè)?，F(xiàn)在機(jī)器人廠家生產(chǎn)的機(jī)器人重復(fù)定位精度比較高，絕對定位精度卻很低，僅為毫米級，無法達(dá)到高精度加工的要求。

在機(jī)器人加工、裝配過程中不可避免地要產(chǎn)生誤差，機(jī)器人作業(yè)過程中的磨損也會使運動副間產(chǎn)生間隙，而且實際構(gòu)件都具有彈性，高速運動時在慣性力、重力和外力作用下勢必會產(chǎn)生彈性變形和震動等問題。工業(yè)機(jī)器人是由運動學(xué)模型（如圖1所示）控制的，在運動學(xué)模型中所導(dǎo)致的的結(jié)構(gòu)參數(shù)是設(shè)計值，這與實際結(jié)構(gòu)參數(shù)之間不可避免地存在誤差，導(dǎo)致機(jī)器人無法嚴(yán)格按照預(yù)期位姿要求進(jìn)行運動，直接測量這些結(jié)構(gòu)參數(shù)往往很困難。

不過，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差必定會通過一定的形式反映出來，最直接的體現(xiàn)就是末端執(zhí)行器的TCP精度。測試機(jī)器人末端執(zhí)行器的TCP精度能推導(dǎo)機(jī)器人的誤差源，然后通過啟帆精度分析離線軟件仿真（如圖2所示）分析，可以清楚的發(fā)現(xiàn)誤差對機(jī)器人末端執(zhí)行器的影響，根據(jù)離線仿真分析，合理的分配與控制各個影響因子可達(dá)到提高機(jī)器人末端執(zhí)行器的運行精度的目的。

圖1 運動學(xué)模型

圖2仿真分析

根據(jù)機(jī)器人誤差源的分析，如何檢測得到有效的處理數(shù)據(jù)是TCP精度測試過程中一個重要的環(huán)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人精度的測量是提高TCP精度的一個極其重要的因素，它是結(jié)構(gòu)參數(shù)辨認(rèn)精度。任何一個測量過程都是包括測量對象、計量單位、測量方法和測量精度這四個要求。要準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行測量，必須對這四個要素進(jìn)行全面的分析、正確的選用。因此，制定正確的檢測方案是關(guān)鍵，影響著整個TCP精度測試的分析：

圖3精度檢測標(biāo)定方案

圖4 激光跟蹤儀空間檢測

激光跟蹤儀具有高分辨率，工作空間大，非接觸測量等優(yōu)點。同時，使用激光跟蹤儀標(biāo)定機(jī)器人不再需要其他的測量工具，省去了標(biāo)定測量工具的繁瑣。通過激光跟蹤儀的檢測得到的數(shù)據(jù)（如圖4所示），處理可得到機(jī)器人的連桿參數(shù)，減速比和形位結(jié)構(gòu)等，然后根據(jù)軟件程序（如圖5所示）對TCP檢測試驗的數(shù)據(jù)分析處理。

圖5 軟件程序數(shù)據(jù)處理

從機(jī)器人自身的運動約束出發(fā)，識別和構(gòu)建機(jī)器人運動學(xué)模型坐標(biāo)系，通過位姿測量的方式，以機(jī)器人末端的實際位姿與其名義位姿之差值作為參數(shù)辨識程序的輸入，根據(jù)建立的靜態(tài)位姿誤差模型計算得到了機(jī)器人運動學(xué)參數(shù)的誤差，進(jìn)而對機(jī)器人控制程序中的運動學(xué)參數(shù)進(jìn)行了修正，獲得了末端位姿與關(guān)節(jié)變量的精確變換，提高了機(jī)器人的TCP精度。

為了檢測TCP精度提高的效果，在空間不同位置排放標(biāo)定桿，通過空間不同定點位置姿態(tài)的改變，觀察末端執(zhí)行器相對定點偏移量的大小，作為評定機(jī)器人末端執(zhí)行器的TCP精度的依據(jù)，得出相應(yīng)的測試效果。