工業(yè)機(jī)器人誤差影響因素及測量方法研究

龔家勤，李夢奇，鄧 倖之

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的典型代表，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如電弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等。目前工業(yè)機(jī)器人在大批量自動(dòng)化的生產(chǎn)中已經(jīng)替代傳統(tǒng)人工完成了高質(zhì)量的自動(dòng)化工作，提高了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，因此對于工業(yè)機(jī)器人在正常工作時(shí)，在速度和空間上的準(zhǔn)確定位、運(yùn)動(dòng)速度、加速度的誤差大小和定位精度都有嚴(yán)格的規(guī)定和要求。一般來說，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)和出廠時(shí)都需要對其定位精度和誤差進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)還要通過檢測機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)速度和空間加速度，選擇合適的誤差測量方法來確定和提高工業(yè)機(jī)器人的定位精度，這就顯得尤為重要。

1 影響工業(yè)機(jī)器人誤差的因素

造成工業(yè)機(jī)器人誤差的主要影響因素非常復(fù)雜，一般將這些影響機(jī)器人誤差大小因素大致分為兩種，靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素。其中靜態(tài)因素一般定義為不隨工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變的因素。而相對應(yīng)地，動(dòng)態(tài)因素可以定義為會(huì)隨著工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變動(dòng)的因素[1]。

1.1 靜態(tài)因素

影響機(jī)器人誤差大小的靜態(tài)因素主要包括：

（1）連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差。由于機(jī)器人的各個(gè)組成部分在零件加工與裝配過程中的結(jié)構(gòu)誤差常常難以避免，致使機(jī)器人的連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論值與實(shí)際的參數(shù)值之間往往存在著較大的誤差，進(jìn)而直接導(dǎo)致機(jī)器人末端的執(zhí)行器位置發(fā)生了偏差。

（2）工作環(huán)境溫度的誤差。如果機(jī)器人工作環(huán)境中的溫度和空氣濕度發(fā)生變化，將直接導(dǎo)致機(jī)器人的各連桿長度以及執(zhí)行器的硬度尺寸發(fā)生微小的變化，長期使用引起的零件磨損也可能會(huì)直接導(dǎo)致末端機(jī)器人各連桿和零部件的長度和尺寸的位置發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致機(jī)器人的末端各連桿和執(zhí)行器的位置產(chǎn)生誤差。

（3）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差。主要原因包括傳動(dòng)關(guān)節(jié)由于運(yùn)動(dòng)副磨損原因引起的固有運(yùn)動(dòng)角誤差和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角誤差。傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差主要是來源于伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器等齒輪傳動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的齒輪與傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差、齒輪的關(guān)節(jié)間隙與傳動(dòng)關(guān)節(jié)間隙的撓性。為了有效減小齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度造成的影響，工業(yè)高精密機(jī)器人的傳動(dòng)關(guān)節(jié)大都是采用直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和諧波驅(qū)動(dòng)的減速器組合為一體的技術(shù)設(shè)計(jì)，使得傳動(dòng)關(guān)節(jié)的裝配可以達(dá)到很高的裝配精度，關(guān)節(jié)的間隙可以通過較高的齒輪裝配傳動(dòng)精度，或者是采用高精密材料進(jìn)行加工的減速器實(shí)現(xiàn)，有些高精密的機(jī)器人因?yàn)椴捎弥苯佑呻姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)而直接省去了減速器。

（4）計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)誤差。主要包括計(jì)算機(jī)編程的方法和控制算法有關(guān)的控制系統(tǒng)誤差，主要是指直接根據(jù)求解的算法和控制算法在計(jì)算機(jī)內(nèi)的運(yùn)算字長所直接造成的比特誤差。比特誤差與傳統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)的誤差相比，小到可以忽略不計(jì)。

（5）標(biāo)定位置和傳感器的誤差。主要包括分辨率和標(biāo)定位置誤差等，主要是指由于分辨率傳感器、位置傳感器等引起的誤差，在機(jī)器人執(zhí)行器端工作時(shí)所能得到的空間分辨率和位移最小值。分辨率的誤差意味著在該最小值之下的空間位移最小值無法精確地被感知。

1.2 動(dòng)態(tài)因素

影響機(jī)器人誤差大小的動(dòng)態(tài)因素主要包括：

（1）指令誤差。包括插補(bǔ)誤差、圓整累積誤差和擬合誤差等。

（2）各類機(jī)械臂傳動(dòng)受力和軸向彈性關(guān)節(jié)誤差。主要包括機(jī)器人自重、慣性和內(nèi)力、外力等多種因素作用引起的機(jī)器人關(guān)節(jié)和各機(jī)械臂的彈性變形、齒輪的受傳動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)傳動(dòng)間隙等。

（3）模擬關(guān)節(jié)數(shù)字碼盤精度數(shù)字自動(dòng)讀取時(shí)的精度計(jì)算誤差。主要因素包括采用機(jī)器人模擬關(guān)節(jié)數(shù)字碼盤自動(dòng)讀取的計(jì)算精度、機(jī)器人數(shù)字關(guān)節(jié)碼盤精度與微控制器的數(shù)字自動(dòng)控制和文字?jǐn)?shù)據(jù)處理分辨的結(jié)合能力，編程能力、計(jì)算機(jī)舍入數(shù)據(jù)精度的計(jì)算誤差等。

2 工業(yè)機(jī)器人誤差測量方法

國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對機(jī)器人定位誤差測量的認(rèn)識和研究由來已久。常用的誤差測量裝置有經(jīng)緯儀、球桿、三坐標(biāo)測量機(jī)和激光跟蹤儀等。常見的測量方法主要可以歸納為三類：基于機(jī)器人的視覺圖像處理技術(shù)的測量方、基于激光跟蹤儀測量方法和基于拉線編碼器測量方法。

2.1 基于機(jī)器視覺處理技術(shù)測量方法

機(jī)器視覺處理技術(shù)本身就是模擬人類視覺采集外界信息并處理信息的過程，被認(rèn)為是機(jī)器控制系統(tǒng)的重要反饋環(huán)節(jié)。所謂的機(jī)器視覺是通過先進(jìn)的圖像采集技術(shù)和利用圖像信號分析技術(shù)獲取物體的形狀等信息，并將其信息傳輸反饋給機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要目的之一就是使機(jī)器人能夠從單個(gè)或一系列二維的圖像中準(zhǔn)確讀取和計(jì)算出物體的形狀、大小、空間以及位置移動(dòng)。但是由于容易受到攝像光線等的影響，測量的精度低，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需考慮工作環(huán)境對測量精度的影響。

2.2 基于激光跟蹤儀測量方法

眾所周知，激光跟蹤儀具有圖像分辨率高、工作范圍空間大、非接觸測量、性能穩(wěn)定、原理簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)定位精度測量。在機(jī)器人的測試和準(zhǔn)備階段，激光跟蹤儀的優(yōu)點(diǎn)是將靶球直接安裝在一個(gè)機(jī)器人手臂末端執(zhí)行器的固定裝置上。根據(jù)末端固定裝置的類型，可以同時(shí)放置多個(gè)靶球，適用于機(jī)床上和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)定位和跟蹤測量以及動(dòng)靜態(tài)位姿的測量。激光跟蹤儀的缺點(diǎn)是反射的光束必須在整個(gè)機(jī)器人測量的過程中連續(xù)反射可見。如果光束反射中斷，則必須從頭開始重新固定裝置測量，并且其成本也較高，一般運(yùn)用于工業(yè)機(jī)床上。

2.3 基于拉線編碼器測量方法

基于拉線編碼器測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括工業(yè)機(jī)器人，數(shù)據(jù)采集單元，測量單元和計(jì)算機(jī)，如圖1所示。測量單元包括測量適配器和測量桿，測量適配器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由四個(gè)爪組成，它的功能是將與爪連接的四根拉線在空間上相交。測量桿用于固定拉線編碼器并提供穩(wěn)定的底座。數(shù)據(jù)采集單元為高頻數(shù)據(jù)采集卡，通過四根測試?yán)€與安裝在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上的測量適配器連接，拉線編碼器的信號線與數(shù)據(jù)采集卡連接，最后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算。機(jī)器人和計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接，機(jī)器人直接受計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊控制，完成整個(gè)測量過程。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人末端的空間位置改變時(shí)，四根測試?yán)€的長度也會(huì)改變，該長度的原始數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)收集。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算，獲得了工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置信息，并在計(jì)算機(jī)軟件中描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算實(shí)時(shí)速度和加速度值，并將獲得的歷史數(shù)據(jù)記錄下來，方便后續(xù)分析處理[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

拉線編碼器作為測量的主體，利用拉線編碼器的測試?yán)€長度來換算機(jī)器人末端執(zhí)行器上的點(diǎn)位坐標(biāo)值變化，操作簡便、可靠，對環(huán)境要求低，實(shí)現(xiàn)方式簡單，成本低，測試設(shè)備使用壽命長，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間大，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，可適用于工業(yè)復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境。

3 結(jié)語

隨著中國智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人向智能化和人機(jī)交互發(fā)展已成為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢。目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展受到末端執(zhí)行器精度的限制。機(jī)器人精度誤差的測量方法將成為未來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章就影響機(jī)器人誤差的主要因素，誤差的主要測量方法進(jìn)行了梳理，比較了各種測量方法的特點(diǎn)、優(yōu)劣與應(yīng)用場合，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。