工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的設(shè)置

何淼

摘要：該文以FANUC工業(yè)機(jī)器人為例，從工具坐標(biāo)系設(shè)置的意義出發(fā)，分析了不同機(jī)器人設(shè)置工具坐標(biāo)系的方法，成功建立了機(jī)器人新的工具坐標(biāo)系，為機(jī)器人精確的運(yùn)動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;坐標(biāo)系;TCP

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0204-02

隨著工業(yè)4.0的到來以及中國制造2025規(guī)劃，工業(yè)機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用和智能化改造。學(xué)習(xí)和使用機(jī)器人的第一步是建立工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)之間、關(guān)節(jié)與工具或工件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即建立工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系。FANUC工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系有：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系JOINT、手動(dòng)坐標(biāo)系JGFRM、世界坐標(biāo)系WORLD、用戶坐標(biāo)系USER和工具坐標(biāo)系TOOL。

在工業(yè)實(shí)際中，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器換裝工具或發(fā)生碰撞變形時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制，則需要重新設(shè)置工具坐標(biāo)系，以便調(diào)試機(jī)器人的位姿。本文從工具坐標(biāo)系設(shè)置的意義出發(fā)，分析了不同設(shè)置方法的特點(diǎn)和適用場合，總結(jié)了設(shè)置步驟，為FANUC機(jī)器人的學(xué)習(xí)和使用提供了參考。

1工具坐標(biāo)系TooL

工具坐標(biāo)系TOOL是用來定義安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器的工具中心點(diǎn)（TCP）位置和工具姿態(tài)的坐標(biāo)系，工具中心點(diǎn)TCP一般設(shè)置在末端執(zhí)行器中心，用坐標(biāo)軸x、Y、z表示，而工具姿態(tài)用w、P、R表示。在FANUC機(jī)器人默認(rèn)的工具坐標(biāo)系中，末端執(zhí)行器默認(rèn)為法蘭盤，則法蘭盤中心為工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)，+x方向?yàn)榉ㄌm盤中心指向法蘭盤定位孔的方向，+Z方向?yàn)榇怪狈ㄌm盤向外，+Y方向則由右手法則判定。

在實(shí)際應(yīng)用中，不同功能的工業(yè)機(jī)器人會在末端執(zhí)行器上安裝不同的工具，例如噴漆機(jī)器人使用噴嘴作為工具，弧焊機(jī)器人使用弧焊槍作為工具，搬運(yùn)機(jī)器人常用真空吸盤、手爪等作為工具。因此，隨著末端執(zhí)行器上所裝工具的位置與角度的不斷變化，工具中心點(diǎn)TCP及方向也會產(chǎn)生變化。為了方便示教，這就需要將TCP移到工具的某一個(gè)尖端位置，以建立相應(yīng)新的工具坐標(biāo)系，來描述所安裝的工具的TCP的位姿。也就是說，新的工具坐標(biāo)系是相對于默認(rèn)的工具坐標(biāo)系經(jīng)移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)而變換得到的，新的工具坐標(biāo)系的位置和方向始終同法蘭盤保持絕對的位置和姿態(tài)關(guān)系，但在空間上是一直變化的。

2工具坐標(biāo)系設(shè)置方法的選擇

工具坐標(biāo)系在實(shí)際使用中，需要在機(jī)器人編程前先行設(shè)置，若未定義工具坐標(biāo)系，將使用默認(rèn)工具坐標(biāo)系。FANUC工業(yè)機(jī)器人在建立新的工具坐標(biāo)系時(shí)，提供了三種方法：直接輸入法、三點(diǎn)法和六點(diǎn)法。

其中，直接輸入法適用于新的工具坐標(biāo)系的值已知的場合。

三點(diǎn)法適用于只改變了工具坐標(biāo)系原點(diǎn)TCP的位置，僅進(jìn)行了默認(rèn)工具坐標(biāo)系平移的場合。即當(dāng)新的工具相對于默認(rèn)的坐標(biāo)系只是TCP位置（即x、Y、z）發(fā)生變換，而姿態(tài)（即w、P、R）沒變時(shí)，可通過三點(diǎn)標(biāo)定法建立新的工具坐標(biāo)系;或者將工具TCP位置的偏移量直接輸入到相應(yīng)的軸的坐標(biāo)值里，即可建立新的工具坐標(biāo)系，如圖1所示的搬運(yùn)機(jī)器人和圖2所示的涂膠機(jī)器人。

六點(diǎn)法適用于工具坐標(biāo)系原點(diǎn)（TCP）的位置和姿態(tài)均改變了，不僅進(jìn)行了默認(rèn)工具坐標(biāo)系平移又進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)的場合。即當(dāng)TCP和姿態(tài)都發(fā)生變換時(shí)，則需要采用六點(diǎn)法建立新的工具坐標(biāo)系，如圖3所示的噴漆機(jī)器人。

在圖1中，搬運(yùn)機(jī)器人采用真空吸盤作為搬運(yùn)工具，它的TCP點(diǎn)設(shè)定在吸盤的接觸面上。相對于默認(rèn)的工具坐標(biāo)，新的工具姿態(tài)沒變，只是TCP位置在z軸正方向上偏移了L距離。因此，可采用修改z軸的坐標(biāo)值的方法或三點(diǎn)標(biāo)定法，建立吸盤工具坐標(biāo)系。

在圖2中，涂膠機(jī)器人采用膠槍作為涂膠工具，它的TCP點(diǎn)設(shè)定在膠槍底部的端點(diǎn)位置上。相對于默認(rèn)的工具坐標(biāo)，新的工具姿態(tài)沒變，只是TCP位置在x軸、Y軸、z軸三個(gè)方向上發(fā)生了偏移。因此，可采用修改軸的坐標(biāo)值的方法或三點(diǎn)標(biāo)定法，建立涂膠工具坐標(biāo)系。

在圖3中，噴漆機(jī)器人采用噴槍作為噴漆工具，它的TCP點(diǎn)設(shè)定在噴槍底部的端點(diǎn)位置上。相對于默認(rèn)的工具坐標(biāo)，新的工具姿態(tài)和TCP位置均發(fā)生了變化。因此，需要采用六點(diǎn)標(biāo)定法，建立噴漆工具坐標(biāo)系。

3工具坐標(biāo)系的設(shè)置

3.1直接輸入法

在FANUC機(jī)器人示教器中，直接輸入法操作步驟如下：

第一步：切換至坐標(biāo)系號需設(shè)置的“方法”選擇界面，其具體操作如下：[MENU]（菜單）→[SETUP]（設(shè)置）→F1[Type]（類型）→[Frames]坐標(biāo)系→F3[0THER]（坐標(biāo)）→[ToolFrame]（工具坐標(biāo)）→選擇要設(shè)置的坐標(biāo)系號→F2[DETAIL]詳細(xì)→F2[METHOD]方法，進(jìn)入“方法”選擇界面。

第二步：選擇坐標(biāo)系的設(shè)置方法。在“方法”選擇界面中，選擇[Direct Entry]（直接輸入法）→[ENTET]回車確認(rèn)，進(jìn)入“直接輸入法”界面。

第三步：修改參數(shù)。在“直接輸入法”界面中，選擇并修改要設(shè)置的參數(shù)→[ENTET]回車確認(rèn)。

3.2三點(diǎn)法

在FANUC機(jī)器人示教器中，三點(diǎn)法操作步驟如下：

第一步：切換至坐標(biāo)系號需設(shè)置的“方法”選擇界面，與直接輸入法相同。

第二步：選擇坐標(biāo)系的設(shè)置方法。在“方法”選擇界面中，選擇[Three Point]（三點(diǎn)法）→[ENTET]回車確認(rèn)，進(jìn)入“三點(diǎn)法”界面。

第三步：記錄接近點(diǎn)。

a.找基準(zhǔn)點(diǎn)：在機(jī)器人工作范圍內(nèi)，找一個(gè)固定的尖端點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，如固定在柱子上的筆尖。

b.確定參考點(diǎn)：一般在工具上確定一個(gè)參考點(diǎn)，常選擇工具中心點(diǎn)TCP，如寫字機(jī)器人末端執(zhí)行器安裝的毛筆工具筆尖，搬運(yùn)機(jī)器人的真空吸盤。

c.示教第一點(diǎn)：用WORLD坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人，使工具尖端TCP接觸基準(zhǔn)點(diǎn)，按[sHIFr]+F5[RECORD]記錄位置一，如圖4（a）所示。

d.示教第二點(diǎn)：將工具尖端TCP移開基準(zhǔn)點(diǎn)，J6軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度，不要超過180度。再用WORLD坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人，使得工具TCP接觸基準(zhǔn)點(diǎn)，記錄位置二，如圖4（b）所示。

e.示教第三點(diǎn)：將工具尖端TCP移開基準(zhǔn)點(diǎn)，J4，J5軸轉(zhuǎn)動(dòng)不超過90度。再用WORLD坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人，使得工具TCP接觸基準(zhǔn)點(diǎn)，記錄位置三，如圖4圖4（c）所示。

在示教三點(diǎn)的姿態(tài)位置時(shí)，其姿態(tài)位置相差越大，最終獲取的TCP精度越高。

f.機(jī)器人通過這三個(gè)位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算求得新的工具坐標(biāo)系TCP的數(shù)據(jù)，并保存。這樣，通過三點(diǎn)法就將TCP成功地從默認(rèn)位置移動(dòng)到新工具的中心點(diǎn)。

3.3六點(diǎn)法

在FANUC機(jī)器人示教器中，六點(diǎn)法是在三點(diǎn)法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，只是第四點(diǎn)也被稱為坐標(biāo)原點(diǎn)，是讓工具的參考點(diǎn)垂直于基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖4（d）所示;第五點(diǎn)是工具參考點(diǎn)從坐標(biāo)原點(diǎn)向?qū)⒁O(shè)定為TCP的+x方向移動(dòng)，如圖4（e）所示;第六點(diǎn)是工具參考點(diǎn)從坐標(biāo)原點(diǎn)向?qū)⒁O(shè)定TCP的+z方向移動(dòng)，如圖4（f）所示。這樣，機(jī)器人通過這六個(gè)位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算求得新的工具坐標(biāo)系TCP的數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人在使用之前，必須首先根據(jù)末端執(zhí)行器的類型，選擇合理的設(shè)置方法，正確的利用示教器進(jìn)行示教，從而建立新的工具坐標(biāo)系，為機(jī)器人精確的運(yùn)動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)，也為FANUC機(jī)器人的學(xué)習(xí)和使用提供了參考。