基于激光跟蹤儀的工業機器人位置重復性測試

陳國培

（福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008）

0 引言

目前中國已成為全球第一大機器人應用市場。雖然市面上工業機器人品牌種類繁多，但質量卻良莠不齊，直接影響用戶的使用效果和人身安全。有效地評估工業機器人質量水平就顯得至關重要。

GB/T 12642-2013 規定了14 項工業機器人性能指標和測試方法，其中位置準確度和位置重復性是工業機器人性能的重要指標，受機器人零部件制造及裝配誤差、傳動機構磨損、編碼器測量誤差、負載變化、溫度等多種因素的影響[1-2]。通常工業機器人的重復定位精度很高，但絕對定位精度較低[3]。由于目前工業機器人絕對定位精度沒有參考標準，出廠時廠家一般會提供重復定位精度。為此，在工業機器人性能評定中，位置重復性是最主要的一項測試指標[4]。激光跟蹤儀的出現，很好地解決了機器人性能測試中測試環境搭建復雜、測試精度不高等問題。本文著重介紹利用激光跟蹤儀實現工業機器人位置重復性測試。

1 測試標準及方法

GB/T 12642-2013 標準對位姿重復性給出了明確的定義，即對同一指令位姿從同一方向重復響應n次后實到位姿的一致程度[5]。定義中的位姿包括姿態重復性和位置重復性，本文僅對位置重復性進行討論。

如圖1所示，位置重復性：

其中：

圖1 位置重復性

通過分析式（1）～（5）可知，位置重復性的計算不涉及指令位姿所給定的坐標值。這使得位置重復性的測試只需用到測量系統的坐標系，不涉及機器人的機座坐標系，無需進行測量系統坐標系與機器人機座坐標系之間復雜的坐標變換。而如果進行位置準確度的測試，則需要進行坐標變換，因此相對而言位置重復性測試更簡單更好操作。

2 測量儀器

近年來，國內外學者及研究機構在工業機器人性能評估領域做了大量研究，探索了很多測試方法，包括拉線式位移傳感器測試、相機跟蹤測試、超聲波測試、三坐標測量法、參考軌跡測量法和激光跟蹤儀測試等[6-7]。其中最為常見的測試方法是激光跟蹤儀測試[8]。

早在20世紀80年代，國外就開展了激光跟蹤儀測量技術的研究，并有相應的產品問世。近年來，隨著科技的發展和技術的進步，激光跟蹤儀的準確度、穩定性、測量范圍、便攜性得到極大地提升，在制造、服務、工程、質量控制以及檢測等領域得到廣泛地應用。2019 年9 月在國家認監委舉辦的工業機器人位置重復性測試技能競賽中，來自全國12個省（市）的25 家檢驗檢測機構全部采用激光跟蹤儀作為測量設備。激光跟蹤儀是工業機器人性能測試領域必不可少的檢測儀器。

一套激光跟蹤儀測試系統包括激光跟蹤儀、靶球、計算機及相關測試軟件、工裝夾具等，如圖2所示。

圖2 激光跟蹤儀測試系統

3 測試流程

依據GB/T 12642-2013標準要求，基于激光跟蹤儀的工業機器人位置重復性測試流程如圖3所示。

圖3 位置重復度測試流程

3.1 激光跟蹤儀測試系統搭建

激光測量頭需安裝在穩固的支架上，并處于工業機器人作業空間之外，保證測量頭在一定偏轉角度內就能采集到所有的位置數據。靶球借助工裝夾具固定在機器人末端。將控制器與測量頭、控制器與氣象站、控制器與上位機的可靠連接。

3.2 激光跟蹤儀預熱及校準

激光跟蹤儀測試系統搭建完成后，給系統上電，激光跟蹤儀立即開始預熱，即進入“熱穩定”階段。在預熱過程中，測量頭內部軸結構會改變形狀，直到所有結構零件的溫度達到穩定均勻，以適應工作溫度和所需的穩定幾何結構。預熱結束后，再對激光跟蹤儀進行校準。預熱和校準皆是為保證激光跟蹤儀測量精度所采取的必要措施。

3.3 測量點確定

位置重復度測試需要5個測量點，根據標準要求，這5個測量點需通過工業機器人工作空間中立方體內一平面上的5個合適位置點經過偏移得到。

3.3.1 立方體

立方體應位于工作空間中預期應用最多的那一部分，即工業機器人末端活動最頻繁的區域。同時，立方體應具備最大的體積，并且棱邊與基座坐標系平行[5]。

3.3.2 選用平面

選用平面在立方體（C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7-C8）內部，如圖4所示，任意選取其中一個平面即可。

圖4 選用平面

3.3.3 示教點與測量點

編程示教過程中，是對機械接口的中心點（即法蘭中心點）進行操作示教。而激光跟蹤儀在采集坐標位置時，獲取的是靶球中心點的坐標值，顯然示教點和測量點不同。根據標準要求，5個示教點應位于選用平面的對角線上，其中1個點為對角線的中心點，其他4個點離對角線端點的距離等于對角線長度的10%±2%，如圖5所示。為滿足位置重復性測試要求，機器人示教時需要通過末端姿態控制，保證每對測量點和示教點之間一樣的相對位置關系是一樣的，即末端的機械接口姿態相對于選用平面保持不變。

圖5 示教點

按照確定的工業機器人工作空間的立方體以及選取的選用平面，可計算出示教點P1、P2、P3、P4、P5在機座坐標系中的坐標值。

3.4 機器人示教

通過計算出來的P1～P5的坐標值，對工業機器人進行示教編程，使得末端的機械接口以P1點為起始點，按順序移至P5、P4、P3、P2、P1，并且在每一示教點處停頓 3～5 s，以便于激光跟蹤儀能夠采集準確的坐標值。P5～P1為一個循環，總共設置30個循環。

3.5 測試及數據處理

以上步驟準備完成后，啟動激光跟蹤儀和機器人開始測試。共采集30 組150 個坐標數據值，導出數據值，按式（1）～（5）進行數據處理，即可得到P5、P4、P3、P2及P1五個位置點的位置重復性測量值。在50%額度速度下，測試結果如表1所示。

表1 位置準確度

4 影響因素

為保證位置重復度的測量準確性，需考慮環境、設備等因素可能產生的影響。環境方面，測量現場須遠離振動源，如施工工地、大型起重設備、車流密集的馬路、振動試驗場所等。最好機器人和激光跟蹤儀能安放在隔振地面上。設備方面，測試前機器人和激光跟蹤儀要進行充分地預熱并達到熱穩定狀態，靶球與機器人的連接須緊固不松動。此外，激光跟蹤儀要進行充分校準，避免因運輸、安裝等原因對測量設備產生的精度影響。

5 結束語

位置重復性是工業機器人性能測試中的一個基本測試項，是衡量工業機器人質量水平的重要指標之一。本文主要介紹了工業機器人位置重復性測試的方法，以及用激光跟蹤儀實現測試的流程。通過搭建激光跟蹤儀測試系統，能夠高效、準確地實現工業機器人位置重復性測試，極大地降低測試難度并提高測試精度，是當前工業機器人性能測試應用最廣泛的測量手段。