工業(yè)機(jī)器人的TCP
“要確定一個(gè)剛體在空間的位姿，須在物體上固連一個(gè)坐標(biāo)系，然后描述該坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置和它三個(gè)軸的姿態(tài)，總共需要六個(gè)自由度或六條信息來(lái)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(gè)物體在空間可以在X\Y\Z三個(gè)方向平動(dòng)，也可以圍繞著X/Y/Z轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是為什么有6個(gè)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(lái)操作對(duì)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(gè)坐標(biāo)系即工具坐標(biāo)系TCS(Tool Coordinate System)，那么這個(gè)TOOL坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是所謂的TCP點(diǎn) (Tool Center Point) 工具中心點(diǎn)。在機(jī)器人軌跡編程時(shí)，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(shí)，機(jī)器人就會(huì)把TCP點(diǎn)移動(dòng)到這些編程的位置。
常規(guī) TCP
無(wú)論是何種品牌的工業(yè)機(jī)器人，事先都定義了一個(gè)工具坐標(biāo)系，無(wú)一例外地將這個(gè)坐標(biāo)系XY平面綁定在機(jī)器人第六軸的法蘭盤(pán)平面上，坐標(biāo)原點(diǎn)與法蘭盤(pán)中心重合。顯然，這時(shí)TCP就在法蘭盤(pán)中心。不同品牌的機(jī)器人有不同的稱(chēng)呼，ABB機(jī)器人把這個(gè)工具坐標(biāo)系稱(chēng)為tool0，REIS機(jī)器人稱(chēng)之為tnull。
下圖拿REIS的機(jī)器人3D模型RV10-6來(lái)說(shuō)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(gè)默認(rèn)的TCP，但是在實(shí)際使用時(shí)，用戶顯然希望自己來(lái)定義自己的TCP點(diǎn)來(lái)更好的操作對(duì)象機(jī)器人第七軸，比如焊接時(shí)，用戶希望把TCP點(diǎn)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(dòng)的姿態(tài)。
下圖是一個(gè)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(shí)際上，用戶自定義TCP時(shí)，是定義了新的tool坐標(biāo)系原點(diǎn)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(dòng)力學(xué)因素，還要定義工具的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。以便更好地使機(jī)器人在真實(shí)物理世界空間中運(yùn)動(dòng)。
這種TCP是和機(jī)器人法蘭盤(pán)相對(duì)位置是固定的，是最常用的TCP類(lèi)型。
前面介紹的TCP是跟隨機(jī)器人本體一起運(yùn)動(dòng)，但是也可以將TCP定義為機(jī)器人本體以外靜止的某個(gè)位置。常應(yīng)用在涂膠上，膠罐噴嘴靜止不動(dòng)，機(jī)器人抓取工件移動(dòng)。其本質(zhì)是一個(gè)工件坐標(biāo)系。
前面介紹的TCP是相對(duì)于機(jī)器人本體法蘭盤(pán)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(duì)法蘭盤(pán)做動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)合。這種可稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)工具(Dynamic Tool），其TCP可稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)TCP。
TCP精度
隨著全球工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的持續(xù)升級(jí)，作為生產(chǎn)自動(dòng)化主要實(shí)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(lái)越廣泛的應(yīng)用，不僅已廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、噴漆、焊接等作業(yè)，而且也開(kāi)始應(yīng)用于諸如自動(dòng)裝配、尺寸檢測(cè)等超精密作業(yè)。現(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(duì)定位精度卻很低，僅為毫米級(jí)，無(wú)法達(dá)到高精度加工的要求。
在機(jī)器人加工、裝配過(guò)程中不可避免地要產(chǎn)生誤差，機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的磨損也會(huì)使運(yùn)動(dòng)副間產(chǎn)生間隙，而且實(shí)際構(gòu)件都具有彈性，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)在慣性力、重力和外力作用下勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生彈性變形和震動(dòng)等問(wèn)題。工業(yè)機(jī)器人是由運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（如圖1所示）控制的，在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中所導(dǎo)致的的結(jié)構(gòu)參數(shù)是設(shè)計(jì)值，這與實(shí)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(wú)法嚴(yán)格按照預(yù)期位姿要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直接測(cè)量這些結(jié)構(gòu)參數(shù)往往很困難。
不過(guò)，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差必定會(huì)通過(guò)一定的形式反映出來(lái)，最直接的體現(xiàn)就是末端執(zhí)行器的TCP精度。測(cè)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(guò)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(duì)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(gè)影響因子可達(dá)到提高機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)行精度的目的。
圖1 運(yùn)動(dòng)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(cè)得到有效的處理數(shù)據(jù)是TCP精度測(cè)試過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人精度的測(cè)量是提高TCP精度的一個(gè)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(gè)測(cè)量過(guò)程都是包括測(cè)量對(duì)象、計(jì)量單位、測(cè)量方法和測(cè)量精度這四個(gè)要求。要準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行測(cè)量，必須對(duì)這四個(gè)要素進(jìn)行全面的分析、正確的選用。因此，制定正確的檢測(cè)方案是關(guān)鍵，影響著整個(gè)TCP精度測(cè)試的分析：
圖3精度檢測(cè)標(biāo)定方案
圖4 激光跟蹤儀空間檢測(cè)
激光跟蹤儀具有高分辨率，工作空間大，非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，使用激光跟蹤儀標(biāo)定機(jī)器人不再需要其他的測(cè)量工具，省去了標(biāo)定測(cè)量工具的繁瑣。通過(guò)激光跟蹤儀的檢測(cè)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(duì)TCP檢測(cè)試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)約束出發(fā)，識(shí)別和構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系，通過(guò)位姿測(cè)量的方式，以機(jī)器人末端的實(shí)際位姿與其名義位姿之差值作為參數(shù)辨識(shí)程序的輸入，根據(jù)建立的靜態(tài)位姿誤差模型計(jì)算得到了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的誤差，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人控制程序中的運(yùn)動(dòng)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(cè)TCP精度提高的效果，在空間不同位置排放標(biāo)定桿，通過(guò)空間不同定點(diǎn)位置姿態(tài)的改變，觀察末端執(zhí)行器相對(duì)定點(diǎn)偏移量的大小，作為評(píng)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(cè)試效果。
