面向測量的工業機器人定位誤差補償研究

余雷

摘 要 為解決工業機器人定位時的測量誤差問題，本文將探究機器人定位誤差補償方法。如果將定向相機安置在傳感器上，通過傳感器測量場景設定全局的控制點，并借助定向相機來測量控制點位置，就可以實時掌握傳感器當前位置和全局坐標系的轉換關聯，由此補償機器人在定位時產生的誤差。

關鍵詞 測量 工業機器人 定位誤差 誤差補償

中圖分類號：TP202文獻標識碼：A

工業視覺測量技術經常被應用在汽車制造領域的幾何精密測量方面，伴隨著現代汽車制造對于品種和生產量的需求增加，機器人與視覺測量的結合滿足了汽車制造工業的需求，對于汽車的制造和裝配品控等環節有著至關重要的意義。在柔性視覺精密測量的工作過程中，需要把視覺傳感器安裝到工業機器人的末端，通過機器人可編程控制的功能來進行自動化測量。但這其中存在的問題是，隨著機器人運行產生的溫度變化使其結構參數也產生變動，末端工具的安裝位置與預定位置存在一定的偏差，這被稱為機器人定位誤差。機器人定位誤差對于柔性視覺測量系統的精度影響較大，由此可見，減小機器人定位誤差可以顯著提升柔性視覺測量精度。機器人定位誤差補償研究的主要基礎是機器人的運動學模型。從正向運動學的角度，研究可以更加準確地展示機器人的實際運動過程，，從逆向運動學的角度，在測量空間預先設置校準基準，再通過機器人帶動視覺傳感器測量校準基準，利用逆運動學解出機器人的幾何結構參數，與正向運動學模型結合，實現機器人定位誤差補償。

1雙相機補償

基于視覺技術進行機器人定位誤差補償，就是在視覺傳感器上設置光學控制點，通過視覺傳感器后側空間內設置的兩臺大視場相機來進行實時定位，如果能夠預先定下精準的光學控制點在傳感器坐標系中對應的三維坐標，就能夠實時獲得傳感器的位置，并與機器人示教編程中的參數進行對比，得出誤差，及時補償機器人自身溫度變化引起的定位誤差。雙相機補償法可以達成的精度較高，但是在實際的應用場景中，不同的測量位置上需要設置足夠的光學控制點才能保證在兩個相機的視場中都能出現，如果測量位置被遮擋，就不能完成誤差補償。特別是在汽車制造的在線檢測中，空間較為擁擠，無法保障良好的通視條件，所以雙相機補償法的應用會受到一定阻礙。

2單相機補償

單相機補償法的操作是，在傳感器的測量場景中預先設置控制點，并在傳感器上設置一臺附加相機，也就是定向相機，使用其他的精密測量設備對控制點在全局坐標系中相應的三維坐標進行測量。傳感器在對某一位置進行測量時，定向相機能夠將場景中的控制點成像，并利用N點透視定位算法實時估算定向相機在全局坐標系中的位置，如果可以提前標出傳感器坐標系和定向相機坐標系之間的轉換關聯，就能實時解出傳感器在全局坐標系中的位置。

3改善單相機補償的方法

在單相機補償模型中存在著角度參數和位移參數兩種位置變量，在求解過程中兩種參數共同作用，會直接影響優化的效果。角度偏差導致的位移偏差會隨著成像距離而產生大小變化，但通常定向相機的成像距離都比較大，一般處于？03mm量級，由此角度偏差導致的位移偏差也隨之增大，最終導致定位精度受到影響。

在機器人的運行過程中，自身由于機械傳動產生溫度變化，導致機械結構發生熱脹冷縮。溫度的變化會造成連桿長度變化和角度碼盤變形，但由于碼盤結構是圓形的，受熱產生變形較為均勻，而且角度符合封閉原則，所以角度參數 i和 i的變化比較小，可以忽略不計。而距離參數ai和di變化更為明顯，這是產生定位誤差的顯著因素。根據圖中公式可知，參數ai和di決定了兩個坐標系之間的位移關系，和角度關系沒有關聯。因此，由溫度變化產生的機器人定位誤差，主要是位移誤差，而不是角度誤差。根據機器人定位誤差的特點，可以改善單相機的補償方法，把模型中的全局坐標系和定向相機坐標系之間的角度關系設為已知參數，在經由機器人模型確定的數據進行優化計算。

4結語

機器人定位誤差是影響汽車制造中柔性視覺測量方法精度的直接因素，所以對機器人定位 誤差進行補償能夠有效提高機器人定位精準度。雙相機補償法在實際應用中會受到控制點通 視性難以控制的阻礙，而單相機補償法可以有效解決這一問題，只是實際應用中精度還不夠高。而單相機補償方法精度較低主要是因為在轉換關系中，角度參數和位移參數全被設置為優化目標，而角度參數又是導致位移參數發生變化的直接因素。如果能夠結合機器人定位誤差的特征，并將角度參數設為已知參數，只將位移參數作為優化目標，就可以有效提升單相機補償法的精度。

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