Leica絕對激光跟蹤儀在工業機器人校準及檢測中的應用

劉凱

針對國產工業機器人的絕對定位精度較低，在某些高精度檢測、加工及制造應用領域存在的較大應用短板，作為全球領先的計量方案提供商——海克斯康通過感知、解析及行動，推出了工業機器人校準及檢測系統，提高工業機器人精度，以彌補其在應用領域存在的不足。文章詳細介紹了該工業機器人校準及檢測系統中的關鍵技術及校準檢測流程，并通過案例展示其在工業機器人參數補償與性能檢測中的巨大優勢。

一、引言

在新的國際國內環境下，立足于國際產業變革大勢，2015年5月19日，國務院正式印發了《中國制造2025》，旨在全面提升中國制造業發展質量和水平，從制造大國邁向制造強國。同時我國科技部印發了關于發布國家重點研發計劃智能機器人等重點專項2017年度項目申報指南的通知，圍繞了對工業機器人以及其他五個方向進行部署，落實《中國制造2025》等規劃，推動我國工業機器人技術和產業快速發展（圖1）。

通過近十年的發展，中國機器人產業從無到有、從小到大，目前已經形成了一百余家從事機器人研發設計、生產制造、工程應用以及零部件配套的產業集群，國產機器人的應用已遍及汽車制造、工程機械、食品加工等行業。隨著國產機器人應用場景越來越廣泛，僅僅保證重復性指標已經不能滿足需求，國產機器人絕對定位精度較低的弊端越來越凸顯，成為限制國產工業機器人發展的絆腳石，如何提高絕對定位精度成為國產機器人廠家亟待解決的問題。

2016年我國正式開始建立實施機器人檢測認證制度，以助力國產機器人質量控制和自主創新能力提升，助推國產機器人產業進步升級，增強我國在全球機器人產業標準和合格評定程序制定方面的話語權和國際競爭力。機器人檢測認證制度的實施，需要建立規范的標準及認證方式，也需要系統全面的檢測手段支撐，然而在機器人整體性能指標檢測領域，還并沒有一套完備的解決方案。

二、國產工業機器人精度校準及性能檢測的現狀

1.國產機器人存在的問題

儀據《GB/T 12642-2013工業機器人性能規范及其試驗方法》，衡量工業工業機器人性能的指標如圖2所示。

從以上指標可以看出，描述工業機器人的性能指標主要有兩個方面：重復性和準確性。重復性是指工業機器人重復回到同一位姿的能力，即重復定位精度;準確性是工業機器人到達指令位姿的能力，也叫絕對定位精度。當前大多數的國產工業工業機器人廠家都無法提供完整的出廠性能指標信息，能給出的只有重復定位精度指標，無法提供準確性的相關信息。而且國產工業機器人的重復精度一般都較高（0.05mm或更高），絕對定位精度卻往往都無法保證（5mm甚至更低）。

2.問題分析

（1）缺乏量化工業機器人精度的測量手段，導致大部分性能指標無法進行定量的評估，國產工業機器人廠家過去經常采用頂尖對齊的方法來進行校準并測試精度，這種方法靠肉眼來判定誤差大小，無法量化，所以不能保證精度。有的廠家引入了拉線測量手段嘗試定量的分析工業機器人性能，但該方法也存在諸多限制，比如拉線的長度會限制測試空間的大小，拉線的存在會降低工業機器人位姿可達性，而且拉線本身及附屬機械結構的受力變形都會影響測量精度，并不是一種完美的測量方案;行業內還嘗試過其它比如影像測量等手段，但受限于精度或契合特性，始終無法得到滿意的結果。

（2）沒有全面補償工業機器人精度的系統性方法，導致工業機器人的準確性指標不能得到保證，工業工業機器人的重復定位精度主要受關節齒輪系的精度及編碼器的分辨率影響，而工業機器人的絕對定位精度會受到連桿長度、連桿偏移、工具坐標系TCP的定義偏差等工業機器人運動學模型幾何參數以及機體的彈性變形、關節柔性、齒輪傳動誤差及間隙等其他非幾何參數因素的影響，圖3為幾種常見誤差源。

重復性是由工業機器人本身的硬件素質保證的，在成本允許情況下盡可能提高齒輪系及編碼器的精度，即可獲得較好的重復性精度;而準確度是受多方面影響的，工業機器人零配件的加工誤差以及裝配誤差都會引起幾何參數誤差，而且幾何參數引起的誤差代表90%工業機器人TCP位置誤差。如何補償幾何參數誤差，成為提高工業機器人絕對定位精度的重中之重。

三、Leica工業機器人校準及檢測方案

面對用戶對全面有效的校準檢測方案的需求，?？怂箍笛杆僮龀鲰憫?，深入工業機器人廠家及科研院所調研并分析，研發出專門應對工業機器人校準及性能檢測需求的RoboDyn軟件系統，并搭配集團旗下的拳頭產品LeicaAT960絕對跟蹤儀測量系統，搭建形成一套完備的工業機器人校準及檢測方案，如圖4所示。

該方案主要包括Leica AT960絕對跟蹤儀、RoboDyn精度校準及性能檢測軟件、I/O控制器、T-mac測頭等組成部分，Leica AT960絕對跟蹤儀+T-mac測頭，負責測量機器人法蘭末端的位置和姿態，并輸出帶有時間標記的位置和姿態信息;RoboDyn軟件負責機器人模型的創建，生成測點和機器人程序，獲取跟蹤儀的測量數據，進行分析計算，校準機器人模型，并生成校準結果和檢測報告;IO控制器實現RoboDyn軟件、機器人以及跟蹤儀之間的同步，確保整個過程的有序、自動完成，各組成部分如圖5所示。

1.Leica AT960絕對跟蹤儀+Tmac測量系統

?？怂箍灯煜碌腖eica AT960絕對跟蹤儀，是第一款真正意義上實現6自由度動態測量的便攜式激光測量系統，集絕對便攜、絕對速度、絕對精度等特性于一身;Leica AT960絕對跟蹤儀的測量頻率高達3000Hz，可實現1000點/秒的數據輸出，典型測量精度高達7.5μm+3μm/m，完全滿足工業機器人的精度指標要求。

搭配T-mac測頭，可實現對目標位置和姿態的動態跟蹤及高精度測量，可同時實現對工業機器人位置精度和姿態精度的監控和測量，而且跟蹤儀內置毫秒級的時鐘，可以進行時間維度的測量分析，完美契合工業機器人性能指標的測量需求。繼汽車行業、機加工行業、航空航天等行業之后，Leica AT960絕對跟蹤儀必將在工業機器人行業大放異彩。

2.RoboDyn精度校準及性能檢測軟件

RoboDyn是?？怂箍导瘓F旗下專業的測量軟件開發者New River Kinematics公司專門為工業機器人行業開發的軟件系統，主要分為校準和檢測兩個模塊：

（1）校準模塊，根據機器人的幾何參數信息創建DH參數表，進而建立機器人數字化理論模型，利用跟蹤儀測量得到的位置和姿態數據進行運算優化，對齊測量坐標系與機器人坐標系，解算出工具的位置姿態偏差，得到優化后的機器人模型，實現對機器人DH模型（連桿參數、關節轉角）以及減速比、耦合比的修正，提高工業機器人的絕對定位精度，操作整個流程如圖6所示。

（2）檢測模塊：依據GB/T 12642即ISO 9283標準要求，幫助用戶完成對工業機器人各項性能指標的測試。其中得益于Leica AT960絕對跟蹤儀高速動態跟蹤的特性、毫秒級的測量時鐘頻率以及6Dof（Leica T-mac）動態測量能力，位置穩定時間和超調量、軌跡準確度和軌跡重復性、重復定向軌跡準確度、拐角偏差、軌跡速度特性、最小定位時間、擺動偏差等測試項目才能得以實現。檢測模塊操作流程如圖7所示。

Robodyn軟件根據工作空間、設備位置、測試項目等信息進行綜合考慮，內置后處理程序根據機器人控制器類型自動生成機器人能識別的指令程序，下載到控制器后可直接運行，無需進行繁雜的位置示教和編程。而且RoboDyn軟件與跟蹤儀、機器人之間使用IO信號通訊實現同步，一鍵開始測量之后，校準及性能測試的測量及數據分析過程均可自動完成。

四.應用案例

某機器人廠XXX型號6軸機器人精度校準及性能測試的過程及結果報告。

1.機器人校準

基于現場的跟蹤儀和機器人的布局（圖8），在RoboDyn軟件內創建好虛擬的工作環境，本系統可支持6軸機器人全部24個DH參數全的校準，也可根據實際機器人控制系統所支持的標定參數來進行調整。經過測量與軟件分析之后，機器人的DH參數、減速比、耦合比以及校準后測機器人精度結果如圖9所示，可見通過校準，理論上機器人的平均位置精度可以由1mm提升到0.1mm，平均姿態精度也由校準之前的0.3°提升到0.03°。

2.機器人性能測試

定義測試空間并選擇測試截面，RoboDyn軟件會根據GB/T 12642標準自動生成所有的測試點位（圖10），并根據所選測試項目和循環次數生成機器人程序，測試完畢后，會自動出具測試結果的報告和數據圖標，如圖11所示。

五.結語

上述機器人校準及性能測試方案，已經在串聯工業機器人領域得到了充分的使用和驗證，獲得了一致好評，數十家工業機器人生產廠家、科研院所、評定檢測機構都選擇了該方案去解決他們的問題。該方案完美的詮釋了?？怂箍抵圃熘悄苋壳案兄⒔馕龊托袆印?，Leica AT960絕對跟蹤儀+T-mac負責感知，精確采集所需數據，洞察機器人的誤差信息，RoboDyn軟件負責解析，分析處理采集到數據，將機器人的性能信息完整的呈現出來，并根據誤差推算出需要補償的參數，指導機器人精度補償的行動，提升機器人的品質，真正形成了一個感知、解析和行動的閉環，?？怂箍抵Α吨袊圃?025》。