什么是工業(yè)機器人TCP？

為了描述一個剛體在空間的位姿，需在物體上固連一個坐標(biāo)系，然后確定該坐標(biāo)系位姿（原點位置和三個坐標(biāo)軸姿態(tài)），即需要6個DOF來完整描述該剛體的位姿［1］。對于工業(yè)機器人，需要在末端法盤安裝工具（Tool）來進行作業(yè)。為了確定該工具（Tool）的位姿，在Tool上綁定一個工具坐標(biāo)系TCS （Tool Coordinate System），TCS的原點就是TCP（Tool Center Point，工具中心點）。在機器人軌跡編程時，需要將TCS在其他坐標(biāo)系的位姿記錄到程序中執(zhí)行。TCP類型的有：常規(guī)TCP，固定TCP，動態(tài)TCP。

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常規(guī)TCP：隨機器人本體一起運動

工業(yè)機器人一般都事先定義了一個TCS，TCS的XY平面綁定在機器人第六軸的法蘭盤平面上，原點則與法蘭盤中心重合。雖然可以直接使用默認的TCP，但是在實際使用時，比如焊接，用戶通常把TCP點定義到焊絲的尖端（實際上是焊槍tool的坐標(biāo)系在tool0坐標(biāo)系的位姿），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)。

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固定TCP

將TCP定義為機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，機器人抓取工件移動。其本質(zhì)是一個工件坐標(biāo)。

02

動態(tài)TCP

隨著更復(fù)雜的應(yīng)用，TCP可以延伸到機器人本體軸外部（外部軸），應(yīng)用在TCP需要相對法蘭盤做動態(tài)變化的場合。

隨著工業(yè)的發(fā)展進程，工業(yè)自動化技術(shù)逐漸成熟。越來越多的高精密、高復(fù)雜程度的制造工業(yè)對生產(chǎn)精度提出了更高的需求，這大大推動了工業(yè)生產(chǎn)中機器人的使用。

TCP精度測試原因

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)在機器人廠家生產(chǎn)的機器人重復(fù)定位精度比較高，絕對定位精度卻很低，僅為毫米級，無法達到高精度加工的要求。

TCP精度測試分析依據(jù)

在機器人加工、裝配過程中不可避免地要產(chǎn)生誤差，機器人作業(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)致機器人無法嚴格按照預(yù)期位姿要求進行運動，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。測試機器人末端執(zhí)行器的TCP精度能推導(dǎo)機器人的誤差源，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到提高機器人末端執(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

TCP精度的檢測

根據(jù)機器人誤差源的分析，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)確可靠地進行測量，必須對這四個要素進行全面的分析、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

TCP精度測試結(jié)果

從機器人自身的運動約束出發(fā)，識別和構(gòu)建機器人運動學(xué)模型坐標(biāo)系，通過位姿測量的方式，以機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器人運動學(xué)參數(shù)的誤差，進而對機器人控制程序中的運動學(xué)參數(shù)進行了修正，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，作為評定機器人末端執(zhí)行器的TCP精度的依據(jù)，測試效果如下所示，可以看出啟帆機器人TCP精度測試效果無疑完全達到了要求！