陳照春

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 國(guó)家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（福建），福州 350008）

現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，精確標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)器人離線編程的基礎(chǔ)[1]。對(duì)于每個(gè)工具都可以定義一個(gè)不同的TCP，這意味著更改工具時(shí)必須進(jìn)行相對(duì)校準(zhǔn)。工具坐標(biāo)系標(biāo)定是機(jī)器人技術(shù)中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，因?yàn)樗绊懼鴻C(jī)器人離線程序中路徑點(diǎn)的精度。針對(duì)機(jī)器人末端工具與工件緊密接觸的應(yīng)用場(chǎng)合（如弧焊、點(diǎn)焊、裝配、涂膠），工裝夾具磨損、碰撞傾斜等因素會(huì)引起工具的位姿發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致焊機(jī)、涂膠機(jī)等末端工具與工件發(fā)生碰撞，機(jī)器人工具坐標(biāo)系發(fā)生偏移，致使軌跡走偏，嚴(yán)重影響焊接或涂膠質(zhì)量。因此檢測(cè)TCP 的可重復(fù)性在此類(lèi)系統(tǒng)中尤為重要。

在焊接系統(tǒng)中，TCP 設(shè)置為焊絲的末端，每次焊接完成后焊絲的末端長(zhǎng)度、角度均是一個(gè)變值，如果焊絲偏長(zhǎng)，則在起弧時(shí)將碰撞到工件表面；如果焊絲偏短，則在起弧時(shí)在起始位置無(wú)法接觸到工件表面，都將降低焊接效果。另外焊槍碰撞后可能出現(xiàn)焊絲無(wú)效彈出、彎曲，刮削后沒(méi)有建立電弧焊縫情況，無(wú)法滿足工藝要求[2]。為了減少定位誤差，需要通過(guò)TCP 校準(zhǔn)精確測(cè)量TCP 與機(jī)器人端部法蘭中心的相對(duì)位置[3]。

為了解決傳統(tǒng)校準(zhǔn)中人工參與過(guò)多、標(biāo)定效率低下的問(wèn)題，焊槍工具坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)研究中，文獻(xiàn)[4]提出了一種利用激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)器人姿態(tài)的方法，通過(guò)直線和圓弧路徑補(bǔ)償策略及PID 控制解決實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)恼袷?。該?lèi)方法需要每次測(cè)試時(shí)在機(jī)器人末端配置光標(biāo)，并且激光跟蹤器價(jià)格昂貴，使用成本高；文獻(xiàn)[5]提出了一種物理校準(zhǔn)TCP 的方法，該方法由連接到機(jī)器人的球形校準(zhǔn)探頭和5 個(gè)激光傳感器構(gòu)成的測(cè)量裝置組成，與Laser LAB 類(lèi)似，因?yàn)樾?zhǔn)點(diǎn)不是實(shí)際的TCP，因此需要預(yù)先知道工具尺寸形狀。ABB 的Bulls Eye[6]校準(zhǔn)裝置為U 形結(jié)構(gòu)，其兩端帶有光束發(fā)生器和檢測(cè)器，裝置可執(zhí)行三維TCP 校準(zhǔn)?；谙嗤?，LEONI advintec TCP 是一款改進(jìn)性能后的TCP 校準(zhǔn)產(chǎn)品，此類(lèi)產(chǎn)品可用于焊槍等尖銳工具及旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱工具的6 自由度標(biāo)定[7]，但如果工具的某些部分是彎曲的，如渦輪整體葉盤(pán)，則現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法將無(wú)效。采用距離傳感器及激光干涉測(cè)量的方法其最大位置誤差在0.8 mm～2 mm。

本文提出了一種基于U 形激光測(cè)量傳感器的十字交叉激光TCP 測(cè)量方法[8]，通過(guò)測(cè)量當(dāng)前焊絲的角度、長(zhǎng)度偏移量，得到一個(gè)補(bǔ)償值，自動(dòng)補(bǔ)償給工具坐標(biāo)系，減少了校準(zhǔn)的時(shí)間，克服了離線編程中因工具坐標(biāo)系偏移而導(dǎo)致的焊接質(zhì)量的不確定性，提高焊接運(yùn)動(dòng)軌跡精度。

1 U 形傳感器測(cè)量環(huán)境搭建

本文搭建焊接機(jī)器人工具坐標(biāo)系校準(zhǔn)系統(tǒng)，校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù)，基于Windows 操作系統(tǒng)及高速單片機(jī)結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)上，開(kāi)發(fā)出機(jī)器人工具坐標(biāo)系的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，可對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、自動(dòng)修正。主要功能為提供工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀寫(xiě)接口，自動(dòng)修正工具的磨損或者應(yīng)對(duì)工具更換，歷史校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄、歷史記錄曲線分析，實(shí)時(shí)告警狀態(tài)提示。

系統(tǒng)中機(jī)器人需要與傳感器、控制器連接并通訊。傳感器為西克傳感器有限公司（SICK）WFZ 型號(hào)U 形傳感器，其中光電傳感器1 與光電傳感器2 在同一平面上安裝，光電傳感器1 需要與光電傳感器2 垂直相交。在校準(zhǔn)過(guò)程中，采用十字交叉激光法[9]，機(jī)器人末端執(zhí)行器在U 形測(cè)量工具內(nèi)沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，末端執(zhí)行器將阻擋光電傳感器激光束，在一個(gè)圓形軌跡周期內(nèi)激光束中斷4 次，系統(tǒng)記錄每個(gè)阻擋時(shí)刻ti及機(jī)器人末端法蘭中心瞬時(shí)位置，進(jìn)而應(yīng)用算法得到精確的軌跡圓心位置坐標(biāo)。TCP 校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 TCP 校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of TCP calibration system

如圖2 所示，以兩個(gè)信號(hào)發(fā)射器相交點(diǎn)為傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)，構(gòu)建傳感器坐標(biāo)系｛s｝，Xs、Ys、Zs軸方向與機(jī)器人根坐標(biāo)系方向一致。傳感器坐標(biāo)系｛s｝下，以O(shè)s原點(diǎn)為球心構(gòu)建半徑為R 的球形有效檢測(cè)范圍，保證有效檢測(cè)范圍內(nèi)所有空間點(diǎn)處于機(jī)器人的可達(dá)范圍。以A6 法蘭中心建立法蘭坐標(biāo)系｛e｝，坐標(biāo)系｛e｝其Ye軸方向與坐標(biāo)系｛s｝的Ys軸方向一致，Xe軸、Ze軸分別與Xs軸、Zs軸方向相反。以工具末端的TCP 為原點(diǎn)建立工具坐標(biāo)系｛e1｝，其中Xe1軸、Ye1軸、Ze1軸方向與A6 法蘭坐標(biāo)系Xe軸、Ye軸、Ze軸方向一致。

圖2 六軸焊接機(jī)器人與校準(zhǔn)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of 6-DOF welding robot and calibration system

2 系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

2.1 十字交叉激光法校準(zhǔn)基本原理

如圖3（a）所示，定義平面XsOsYs為測(cè)量平面，控制機(jī)器人末端工具中心垂直于測(cè)量平面，帶動(dòng)工具做半徑為R 的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，角速度為ω；在機(jī)器人工具的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，控制器記錄兩束激光恰好被遮擋和恰好不被遮擋的時(shí)間，以鄰近的恰好被遮擋和恰好不被遮擋的時(shí)間的2 個(gè)時(shí)間為1 組，共有4 組，求平均值，以組為單位運(yùn)動(dòng)軌跡可與XsOsYs坐標(biāo)系存在4 個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)與圓心的連線的夾角分別為α，β，γ，δ，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心恰為傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)Os時(shí)，這4 個(gè)角均為90°。

圖3 校準(zhǔn)傳感器功能示意圖Fig.3 Calibration sensor function diagram

如圖3（b）所示，當(dāng)機(jī)器人的工具發(fā)生偏移時(shí)，工具末端在測(cè)量平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的圓心也將偏離原點(diǎn)Os，因而α，β，γ，δ 不再是90°。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度仍然為ω，半徑為R，可根據(jù)控制器系統(tǒng)接收到2 條激光被遮擋的時(shí)間間隔求出該夾角的大小，在保證獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，機(jī)器人攜帶工具可以運(yùn)動(dòng)3～4 圈，取第2 圈的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算：

根據(jù)α，β，γ，δ 的值計(jì)算軌跡圓心到Xs軸的距離dx和到Y(jié)s軸的距離dy，即圓心在測(cè)量平面XsOsYs下的坐標(biāo)為O（dx，dy）：

在機(jī)器人末端法蘭中心坐標(biāo)系｛e｝下，讀取法蘭中心坐標(biāo)與工具末端TCP 坐標(biāo)，分別記錄此時(shí)工具末端TCP 相對(duì)于機(jī)械臂末端法蘭坐標(biāo)系Xe，Ye，Ze軸的距離dx，dy，dz及工具姿態(tài)。

2.2 十字交叉激光校準(zhǔn)方法

第1 步：在傳感器坐標(biāo)系｛s｝中，控制機(jī)器人末端法蘭從原位置P1沿Zs軸向下運(yùn)動(dòng)距離Δz1，保證將工具進(jìn)入測(cè)量平面中，與平面的交點(diǎn)記為P3，該測(cè)量平面的法向與校準(zhǔn)傳感器的Zs軸方向一致，機(jī)器人帶動(dòng)工具在測(cè)量平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，回到原位置，根據(jù)控制器記錄的時(shí)間計(jì)算出軌跡圓心O1（dx1，dy1）。

第2 步：在傳感器坐標(biāo)系｛s｝中，控制機(jī)器人末端法蘭沿Zs軸向下運(yùn)動(dòng)距離Δz2（Δz2>Δz1），工具與測(cè)量平面交點(diǎn)記為P2，機(jī)器人帶動(dòng)工具以相同的角速度與半徑做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，回到原位置，根據(jù)控制器記錄的時(shí)間計(jì)算出軌跡圓心O2（dx2，dy2）。

根據(jù)圖4 所示幾何關(guān)系，P2P3O1O2四點(diǎn)連線組成的封閉圖形P2P3O1O2是一個(gè)平行四邊形，工具主軸方向在坐標(biāo)系｛s｝下的方向向量為

圖4 尋找補(bǔ)償位姿運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.4 Trajectories for obtaining compensated pose

由于Xe軸、Ze軸分別與Xs軸、Zs軸方向相反，因此在坐標(biāo)系｛e｝下的方向向量為

使用空間向量計(jì)算出工具姿態(tài)，補(bǔ)償給原工具TCP 姿態(tài)。然后調(diào)整工具的姿態(tài)，調(diào)成垂直傳感器坐標(biāo)系XsOsYs平面狀態(tài)。

第3 步：位姿3 如圖5 所示，調(diào)整工具TCP 方向平行于傳感器坐標(biāo)系Z 軸。在傳感器坐標(biāo)系｛s｝中，控制機(jī)器人TCP 繞傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)以相同的角速度與半徑做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)記錄的時(shí)間計(jì)算出軌跡圓心O3（dx3，dy3）。

圖5 尋找激光交點(diǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Trajectories for finding laser intersections

在傳感器坐標(biāo)系｛s｝中，控制機(jī)器人TCP 沿X軸負(fù)半軸移動(dòng)dx3，沿Y 軸負(fù)半軸移動(dòng)dy3，繞Os做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心O4，判斷O4-Os是否等于（0，0，0），若相等，工具末端TCP 在Xs，Ys軸上的偏移量為（dx-dx3，dy-dy3）；若不相等，則需要重復(fù)繞Os做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，直至O4-Os等于（0，0，0）。

第4 步：在｛s｝坐標(biāo)系下，控制機(jī)器人TCP 沿Xs軸移動(dòng)碰到傳感器射線停止，沿Zs軸上升h1，再沿Zs軸向下移動(dòng)，下降至碰到傳感器射線，下降高度記為dz3，回到原位置，如圖6 所示。

圖6 尋找激光交點(diǎn)與工具端點(diǎn)相交位置示意圖Fig.6 Finding the intersection position between the laser intersection point and tool endpoint

綜上可計(jì)算出偏移量：

至此，完成機(jī)器人TCP 的新位姿測(cè)量計(jì)算，反饋到機(jī)器人控制器即可實(shí)現(xiàn)TCP 自動(dòng)校正。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)測(cè)量機(jī)器人基于校準(zhǔn)坐標(biāo)系移動(dòng)到相同位置的重復(fù)精度驗(yàn)證U 形激光測(cè)量傳感器性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖7 所示。TCP 校準(zhǔn)裝置的定位精度在KUKA KR16 工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工具為模擬焊絲的針狀鐵絲，如圖7（a）所示。在使用校準(zhǔn)裝置前，通過(guò)網(wǎng)口對(duì)接校準(zhǔn)裝置與機(jī)器人主機(jī)控制器，選擇工具號(hào)與當(dāng)前機(jī)器人末端的工具類(lèi)型相匹配，設(shè)置機(jī)器人做TCP 校準(zhǔn)時(shí)需要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如：坐標(biāo)、速度、半徑、可容忍誤差、2D/3D/5D/6D測(cè)量、工作深度、校準(zhǔn)方向等，如圖7（c）所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.7 Experimental test platform

TCP 校準(zhǔn)程序測(cè)量TCP 與機(jī)器人末端法蘭中心的相對(duì)位置，實(shí)驗(yàn)方法為通過(guò)傳感器交點(diǎn)坐標(biāo)和選定工具TCP 處于該點(diǎn)時(shí)的法蘭中心坐標(biāo)（兩坐標(biāo)都是基于同一基坐標(biāo)系），計(jì)算出工具坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置精度。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)線速度為v=0.05 m/s，運(yùn)動(dòng)半徑R=30 mm，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了6 組測(cè)試，每組包含3 個(gè)測(cè)量值。測(cè)試步驟如下：

（1）先測(cè)量出TCP 在A6 法蘭坐標(biāo)系｛e｝的坐標(biāo)（10.71，-0.94，145.995），再運(yùn)行程序執(zhí)行第2.1 節(jié)所述步驟，移動(dòng)工具末端到U 形激光測(cè)量傳感器中心，獲取傳感器中心點(diǎn)在基坐標(biāo)上的位置（110.75，78.93，-15.66）及TCP 相對(duì)于坐標(biāo)系｛e｝的位置（dx，dy，dz），把當(dāng)前位置信息輸入校準(zhǔn)系統(tǒng)；

（2）重新運(yùn)行程序，沿第2.2 節(jié)步驟進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算出位置偏移量（Δx1，Δy1，Δz1），即為反算出的工具坐標(biāo)值。

實(shí)驗(yàn)中TCP 校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量后工具坐標(biāo)系標(biāo)定的重復(fù)性測(cè)量結(jié)果，如表1 所示。其中ex、ey和ez是測(cè)量值相對(duì)于示教點(diǎn)位置誤差。測(cè)試結(jié)果平均位置偏移量（Δx1，Δy1，Δz1）=（10.64 mm，-0.95 mm，145.86 mm）。測(cè)試結(jié)果平均位置偏移量（Δx1，Δy1，Δz1）=（-0.070 mm，-0.008 mm，-0.1333 mm），平均距離誤差0.1508 mm，最大距離誤差（第6 點(diǎn)）為0.6077 mm。X、Y、Z 軸方向位移的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.036 mm、0.031 mm、0.249 mm。這表明重復(fù)性誤差足夠小，驗(yàn)證了標(biāo)定算法的可靠性和有效性。

表1 TCP 位置誤差測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 TCP position error measurement data

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究的焊槍校準(zhǔn)系統(tǒng)基于光纖傳感器測(cè)試信號(hào)通斷的原理進(jìn)行TCP 非接觸式測(cè)量，提出的十字交叉激光測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)誤差測(cè)量和更新末端工具坐標(biāo)，自動(dòng)修正機(jī)器人預(yù)設(shè)運(yùn)行軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系的自動(dòng)測(cè)量與校準(zhǔn)，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和焊接運(yùn)動(dòng)軌跡精度。機(jī)器人TCP 智能化校準(zhǔn)與修正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本的TCP 校準(zhǔn)解決方案，在降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、減少人工誤差等方面具有巨大的應(yīng)用空間。