6R型工業機器人標定技術研究及算法實現

高小云

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目前采用標定技術方法可有效提高工業機器人的位置姿態精度，降低對工業機器人本體的加工精度要求，同時也能減少機器人在執行工作任務過程中對本身剛度的過度依賴。所以說標定技術的運用對提高工業機器人執行復雜任務能力、強化其運行自主性都具有現實意義。

一、6 R型工業機器人與標定技術方法概述

6 R型工業機器所具有的自由度為6(6軸，6點可轉動關節)，所有關節均為可轉動關節，其中前3個關節Axis1、Axis2、Axis3主要控制機器人的末端手腕位置，另外后三個關節Axis4、Axis5、Axis6控制機器人末端手腕姿態。6 R型工業機器人擁有復雜的多剛體系統空間結構，在運動學分析過程中確保便于展開分析工作，專門在工業機器人的每個連桿上固定連接一個連桿坐標系，描述連桿坐標系之間的相對關系，如此可推導出工業機器人末端連桿的位置與姿態，并建立連桿坐標系的相應函數關系。

在6 R型工業機器人上可利用標定方法提高其末端定位精度，不許更改機器人本體結構與控制系統，圍繞其6軸轉動關節建立運動學模型，并對模型相關細節作出補償修正，如此可有效減少人力、物力與財力輸出，同時降低工業機器人因精度不足所導致的損壞廢棄風險問題。在采用標定技術過程中，基于規定時間間隔對機器人系統進行重新標定，有效彌補元件磨損，同時通過改變元件尺寸變化與剛度改變工業機器人定位精度，同時滿足加工精度要求，如此更能提高工業機器人的使用壽命[1]。

二、6 R型工業機器人的標定過程、仿真實驗與算法驗證

(1)機器人本體的參數標定驗證過程分析。針對機器人本體的參數標定驗證過程進行分析，假設機器人的初始位姿為θ，且其末端位置坐標為p1，假定工業機器人中的每個關節都存在一定的角度偏差或長度偏差，且角度偏差設定為0.01°，長度偏差設定為0.1 mm，此時可計算工業機器人的末端位置坐標p1，最終獲得在該位姿下工業機器人基于不同關節不同類型的位姿偏差，包括偏差所引起的位置準確度變化。一般來說，在不同位姿下，不同類型參數的6R型工業機器人其各項指標參數都存在偏差，且對機器人位置的準確度也有不同影響。此時可預測機器人末端的定位精度對角度類偏差相對敏感。為證明這一假設，需要對多個處于不同初始位姿的機器人進行仿真實驗，驗證上述假設是正確的。在驗證假設過程中，對存在角度偏差的工業機器人關節進行檢查，檢查其偏差關鍵是否距離機器人基座過近，如果越近證明機器人位姿的準確度越大，同時更說明機器人末端定位精度對偏差敏感度越高[2]。

(2)機器人的標定仿真實驗過程分析。以6R型工業機器人的天窗飛行滾邊工具標定仿真實驗過程為例，其實驗過程主要包括4道工序。

第一道工序，明確包邊角度變化過程，可設置為35°、80°、135°和180°。

第二道工序，在滾邊之前對每一道工序的滾輪進行設置，建立工具坐標系，明確工具TCP位置設定。

第三道工序，在仿真標定實驗環境下測量天窗飛行滾邊中每一道工序滾輪工具的坐標系位姿數據。

第四道工序，發現實際模型中所存在的加工與安裝誤差，分析實際工具坐標系位姿數據與仿真環境，并測量其實際位姿數據與理論位姿數據是否一致。如果不一致需要利用三坐標測量儀對已經安裝好的滾邊工具金襲警參數標定調整，再次進行機器人位置標定。

如上述4道工序修正6R工業機器人天窗飛行滾邊工具后可獲得最終的標定仿真實驗數據[3]。

(3)機器人本體結構參數的標定算法驗證過程分析。最后要對6 R工業機器人的本體結構參數進行標定算法那驗證，分析其結構參數角度類偏差，并對工業機器人的末端定位精度進行驗證。在驗證計算過程中需要給定待標定工業機器人的結構參數名義值與偏差值數據內容。具體將就是要計算工業機器人在名義參數下的理論位置坐標pb，包括在參數偏差影響下的實際位置坐標p0，最后可得出工業機器人的實際位置偏差應該為:

dp=pb-p0

與此同時，需要結合工業機器人的雅克比矩陣，再次深入展開正向運算與逆向運算，分別通過兩種計算獲得機器人的名義位置誤差Δp:

Δp=HpΔξ

上述算式中結構參數誤差為Δξ，代入相關數據可取的具體計算結果，假偏差源的給定偏差為0.1000，那么代入上述公式可計算出它的計算偏差應該為0.1001。從上述計算過程可以見得，如果利用工業機器人的雅克比矩陣可計算出名義位置誤差與實際誤差，且對比發現二者的誤差偏差相對較小，只有0.0001，這就證明通過雅克比矩陣所求解的結構參數誤差與給定偏差值基本保持一致，誤差可忽略，最終證明了6 R型工業機器人所建立的標定模型存在一定合理性，同時它的標定算法也具有一定可靠性[4]。

總結

通過本文中對6R型工業機器人以及對標定技術模型、假設以及模擬算法的研究可以證明在建立6R型工業機器人過程中需要首先構建其本體結構的參數標定誤差模型，主要基于它的首末端位姿精度評估原理將其結構參數與角度類、長度類偏差體現出來，并對不同類型、不同位姿的工業機器人轉動關節偏差敏感性數據進行分析，利用標定技術算法驗證所建立6R型工業機器人的標定模型合理性，最終驗證標定算法所驗證的假設成立，再次證明算法合理性與安全可靠性。綜上所述，該標定技術方法所構建的是一種可避免拆除現有工業機器人末端的精細化標定方法，且標定技術中對平均標定誤差值管控嚴格，可保證6R型工業機器人的運行軌跡精度維持在5 mm以內，滿足了工業機器人的生產操作精度要求。