工业机器人的TCP

“要确定一个刚体在空间的位姿，须在物体上固连一个坐标系，然后描述该坐标系的原点位置和它三个轴的姿态，总共需要六个自由度或六条信息来完整地定义该物体的位姿。”

上面这段话是摘自Saeed B. Niku的《机器人学导论——分析、系统及应用》。想象一下，一个物体在空间可以在X\Y\Z三个方向平动，也可以围绕着X/Y/Z转动，这就是为什么有6个自由度的原因了。

工业机器人使用的途径就是要装上工具（TOOL）来操作对象，那么如何描述工具在空间的位姿呢，显然，方法就是在工具上绑定(定义)一个坐标系即工具坐标系TCS(Tool Coordinate System)，那么这个TOOL坐标系的原点就是所谓的TCP点 (Tool Center Point) 工具中心点。在机器人轨迹编程时，就是将工具在另外定义的工作坐标系中的若干位置X/Y/Z和姿态Rx/Ry/Rz记录在程序中。当程序执行时，机器人就会把TCP点移动到这些编程的位置。

常规 TCP

无论是何种品牌的工业机器人，事先都定义了一个工具坐标系，无一例外地将这个坐标系XY平面绑定在机器人第六轴的法兰盘平面上，坐标原点与法兰盘中心重合。显然，这时TCP就在法兰盘中心。不同品牌的机器人有不同的称呼，ABB机器人把这个工具坐标系称为tool0，REIS机器人称之为tnull。

下图拿REIS的机器人3D模型RV10-6来说明，为了突显出默认的工具坐标系，特将模型的本体做了透明化处理。

虽然可以直接使用这个默认的TCP，但是在实际使用时，用户显然希望自己来定义自己的TCP点来更好的操作对象机器人第七轴，比如焊接时，用户希望把TCP点定义到焊丝的尖端机器人第七轴，那么程序里记录的位置便是焊丝尖端的位置，记录的姿态便是焊枪围绕焊丝尖端转动的姿态。

下图是一个新的工具坐标系的例子，仅向Z轴方向平移，形成的新的坐标系。

实际上，用户自定义TCP时，是定义了新的tool坐标系原点在tool0坐标系中的位置，以及新tool坐标系在tool0坐标系中的姿态。如果考虑到动力学因素，还要定义工具的质量、重心、转动惯量。以便更好地使机器人在真实物理世界空间中运动。

这种TCP是和机器人法兰盘相对位置是固定的，是最常用的TCP类型。

前面介绍的TCP是跟随机器人本体一起运动，但是也可以将TCP定义为机器人本体以外静止的某个位置。常应用在涂胶上，胶罐喷嘴静止不动，机器人抓取工件移动。其本质是一个工件坐标系。

前面介绍的TCP是相对于机器人本体法兰盘坐标系，或者大地坐标系，但随着更复杂的应用，TCP可以延伸到机器人本体轴外部，应用在TCP需要相对法兰盘做动态变化的场合。这种可称之为动态工具(Dynamic Tool），其TCP可称之为动态TCP。

TCP精度

随着全球工业自动化生产的持续升级，作为生产自动化主要实现手段之一的工业机器人在工业生产中得到了越来越广泛的应用，不仅已广泛应用于搬运、喷漆、焊接等作业，而且也开始应用于诸如自动装配、尺寸检测等超精密作业。现在机器人厂家生产的机器人重复定位精度比较高，绝对定位精度却很低，仅为毫米级，无法达到高精度加工的要求。

在机器人加工、装配过程中不可避免地要产生误差，机器人作业过程中的磨损也会使运动副间产生间隙，而且实际构件都具有弹性，高速运动时在惯性力、重力和外力作用下势必会产生弹性变形和震动等问题。工业机器人是由运动学模型（如图1所示）控制的，在运动学模型中所导致的的结构参数是设计值，这与实际结构参数之间不可避免地存在误差，导致机器人无法严格按照预期位姿要求进行运动，直接测量这些结构参数往往很困难。

不过，这些结构参数误差必定会通过一定的形式反映出来，最直接的体现就是末端执行器的TCP精度。测试机器人末端执行器的TCP精度能推导机器人的误差源，然后通过启帆精度分析离线软件仿真（如图2所示）分析，可以清楚的发现误差对机器人末端执行器的影响，根据离线仿真分析，合理的分配与控制各个影响因子可达到提高机器人末端执行器的运行精度的目的。

图1 运动学模型

图2仿真分析

根据机器人误差源的分析，如何检测得到有效的处理数据是TCP精度测试过程中一个重要的环节，工业机器人精度的测量是提高TCP精度的一个极其重要的因素，它是结构参数辨认精度。任何一个测量过程都是包括测量对象、计量单位、测量方法和测量精度这四个要求。要准确可靠地进行测量，必须对这四个要素进行全面的分析、正确的选用。因此，制定正确的检测方案是关键，影响着整个TCP精度测试的分析：

图3精度检测标定方案

图4 激光跟踪仪空间检测

激光跟踪仪具有高分辨率，工作空间大，非接触测量等优点。同时，使用激光跟踪仪标定机器人不再需要其他的测量工具，省去了标定测量工具的繁琐。通过激光跟踪仪的检测得到的数据（如图4所示），处理可得到机器人的连杆参数，减速比和形位结构等，然后根据软件程序（如图5所示）对TCP检测试验的数据分析处理。

图5 软件程序数据处理

从机器人自身的运动约束出发，识别和构建机器人运动学模型坐标系，通过位姿测量的方式，以机器人末端的实际位姿与其名义位姿之差值作为参数辨识程序的输入，根据建立的静态位姿误差模型计算得到了机器人运动学参数的误差，进而对机器人控制程序中的运动学参数进行了修正，获得了末端位姿与关节变量的精确变换，提高了机器人的TCP精度。

为了检测TCP精度提高的效果，在空间不同位置排放标定杆，通过空间不同定点位置姿态的改变，观察末端执行器相对定点偏移量的大小，作为评定机器人末端执行器的TCP精度的依据，得出相应的测试效果。