激光跟蹤儀在機器人性能測試中的應用分析

王斌，李航

（云南省電子信息產品檢驗院，云南 昆明 650031）

0 引言

當前，我國機器人銷量持續上升，然而60%以上是外商制造，影響我國機器人行業發展的主要因素涵蓋：第一，高端應用研究時間較短，同時不夠深入。第二，驅動器、控制器以及其他核心部件無法實現國產化。基于機器人市場前景，為機器人性能測試行業創造良好發展前景，特別在特種、民用、軍工、航空與航天等行業等方面在機器人等方面應用需求增加，并且對于性能要求也持續提升[1]。

1 機器人性能測試概述

對于工業機器人，ISO9283-1998文件是其性能測試國際標準，在該文件中，對機器人性能測試工作的相關指標進行詳細敘述，同時對于各項指標的測試方法進行了明確。對此，我國制定可GB/T12642-2001等效標準，在2013年，對于檢測技術，以原有標準為基礎，融合推薦機器人性能測試各個方法，并制定GB/T12642-2013文件。應用機器人時發現，機器人使用壽命會受到其振動特性影響，所以ANSI RPA 15.05針對振動測試作出規定[2]。

2 激光跟蹤儀概述

2.1 概述

在工業測量體系中，激光測量系統精度較高，其集合計算機控制、精密機械、光電探測等前沿技術，可以跟蹤空間運動項目，同時實時對目標三維坐標進行測量。具有安裝快捷、效率高、操作便捷以及精度高等特點。

2.2 激光跟蹤測量儀基本原理

當前，激光跟蹤儀的應用范圍持續擴大，一些企業均開始自主研發跟蹤儀，主要部件涵蓋測量附件、反射鏡、控制器、激光跟蹤頭以及計算機等構成。

2.2.1 組成

以實質角度分析，激光跟蹤儀屬于一臺可以自動跟蹤測距測角與干涉測距全站儀，跟蹤儀旋轉軸、旋轉鏡與激光束三部分是跟蹤儀3個軸，交點即坐標系遠點。硬件主要涵蓋反射器、控制器、傳感器頭、計算機等。

2.2.2 基本原理

將1個反射器安裝在被測物上，跟蹤頭向反射器發射激光，并返回跟蹤頭，在目標移動過程中，跟蹤頭會對光束方向進行調整，時刻對準目標。另外，檢測系統會接收返回光束，并對被測物空間位置進行測算。簡而言之，跟蹤儀主要是對被測物在空間中的運動軌跡進行動態或是靜態跟蹤，并對其空間坐標進行確定。可以從以下幾點對其工作原理進行分析[3]。

（1）激光跟蹤控制環節。主要通過光電探測器開展，反射器返回光會通過分光鏡進行處理，光電探測器會直接接收部分光，在反射器移動過程中該部分光會出現偏移值，而探測器能夠按照偏移值對馬達進行自動控制，偏移值達到0之后停止控制，進而完成反射其跟蹤工作，見圖1。

圖1 激光跟蹤儀不平衡狀態

主要原因在于光束沒有通過目標鏡中心進行攝入，進而導致反射鏡反射光束平行于入射光束，兩者間距為2λ。返回光會通過分光鏡，將一部分光束射入到位置檢測器，使得光斑中心和檢測器中心出現偏離，進而形成偏差型號，放大該信號借助伺服電動機轉動轉鏡，促使目標發射井上光束方向產生一定變化，直到光束通過反射鏡中心，促使系統達到平衡狀態。見圖2。

圖2 跟蹤儀平衡狀態

（2）距離測量環節。主要通過ADM裝置與IFM裝置對絕對距離以及相對距離展開測量。其中，IFM的原理主要是光學干涉法，借助對干涉條紋變化情況對距離變化量進行測量。ADM裝置功能是對IFM進行自動初始化，得到基準距離。該方法對最小反射光光強進行測定，實現路徑上光經過時間判斷，實現絕對距離計算。

（3）角度測量。主要工作原理與馬達全站儀與電子經緯儀中角度測量設備較為相似，涵蓋讀數系統、步進馬達、垂直度盤以及水平度盤等，較為相似，因為結合了跟蹤測量技術，所以具有良好動態性。

3 機器人測試中激光跟蹤儀應用流程

3.1 構建測試系統

開展測試工作前，應該構建測試系統，主要涵蓋鎖定三腳架、安裝旋緊跟蹤頭、連接氣象站、連接控制器和跟蹤頭、上位機和控制器通訊等。

3.2 跟蹤儀預熱

對跟蹤頭與控制器分別進行上電處理，激光跟蹤主要借助氦氖激光開展IFM測試工作，因此，完成上電工作之后，需要40min時間的預熱。

3.3 校準激光跟蹤

完成預熱處理之后，應該借助API中Tacker Cal軟件開展跟蹤儀校準工作，涵蓋前后視檢查以及APC校準，進而確保跟蹤儀精度情況能夠充分滿足測試要求[4]。

3.4 工作立方體的定義

GB/T12642-2013文件要求在工業機器人中，各個運動軌跡與位姿測試工作需要以機器人立方體為基礎，建立空間立方體過程中，需要保證機器人動作基線位置得到充分滿足。完成立方體建立工作后，應該通過示教器對機器人立方體C1—C8的定點數據進行讀取。之后通過API中RPM v2.1上位機軟件對立方體數據進行記錄與保存，按照SIO 9283標準，結合用戶需求對C1坐標、XYZ最大值以及最大工作區間等進行定義。之后按下“Creale Cube”建，即能夠完成立方體構建工作。

3.5 統一坐標系

完成空間立方體構建工作之后，跟蹤儀需要以自身坐標系為基礎，對立方體中斜面C8、C7、C2與C1頂點坐標進行讀取與計算，之后統一跟蹤儀與機器人的笛卡爾坐標。以下為主要步驟：①向SMR1中引進鳥巢靶球。②向C3點移動機器人，并按下C3鍵對測試坐標進行讀取。③向C4點移動機器人，并按下C4鍵對測試坐標進行讀取。④向C5點移動機器人，并按下C5鍵對測試坐標進行讀取。⑤向C6點移動機器人，并按下C6鍵對測試坐標進行讀取。⑥建立轉換。借助C8、C7、C2、C1平面和C6、C5、C4、C3平面的垂直關系，建立跟蹤儀坐標與機器人坐標的相對位置。⑦計算上述坐標系的誤差[5]。

3.6 位姿教學

建立統一坐標系之后，應該對跟蹤儀展開示教處理，使其基于統一坐標系對P1—P5五個坐標位置進行記錄，這5個坐標點主要是立方體中4條對角線，立方體中心點是P1。完成各個測試準備工作后，就能夠按照自身需求開展相關測試工作，以下為主要步驟：①向P5點移動操作機器人。②向SMR1鎖定激光束，并按下開始鍵。③按照C3、C4、C5、C6、P1、P2、P3、P4、P5路線移動機器人，各個點持續7s左右，④彈出“SMR1 teaching was done”的消息框，按下“ok”鍵，對SMR2鎖定，并重復“③”。⑤對SMR3進行鎖定，并重復“③”操作。⑥SMR3學習結束之后，按下“Create Axis”鍵，對計算機座的坐標系直線進行計算。⑦按下“角度學習”鍵，之后按下“Finish”鍵，即設置完成系統。

4 性能參數的測試

4.1 國標測試

根據GB/T12642-2013文件中測試方法，對擺偏差、靜態柔順性、定位時間最小值、拐角偏差、互換性、位置超調量、位姿重復性與位姿準確性等指標進行測試。

4.2 示例分析

以位姿重復性與位姿準確為例，以下為主要步驟：①科學確定機器人負載以及速度測試等條件。②向P1點移動機器人，之后停止。③循環處理，次數為30次，時間設定為90min。④按下“開始”鍵進行測試，跟蹤器對SMR3參考學習數值進行聚集。⑤實時數據轉為藍色時，進行循環處理（P5、P4、P3、P2、P1）五點循環，各個位置停止時間設定為27s。⑤跟蹤器對靶球數據進行自動測試，循環結束之后會自動停止。⑥若是無法對靶球數據進行測試，增加停止時間。⑦完成測試后，按下“Analysis”鍵，即能夠彈出數據分析消息框，進而獲得姿態準確度、位置準確度等位姿準確度。

選擇EPSON C4—R901型號機器人，測試條件見圖3。

圖3 位姿重復性與準確度測試條件

其中，負載為100%的額定負載，速發分別為10%、50%與100%的額定速度，位姿是P1—P5，循環次數設定為30次。測試結果見表1和表2。

表1 位姿重復性

表2 位姿準確度

4.3 結果分析

RPMv2.1軟件能夠對P1—P5測試結果進行自動計算，主要涵蓋Apa、Apb與APc姿態準確度，App為位姿準確度，代表實到位姿與指令位姿均值偏差。位姿重復性主要涵蓋RPc、RPb與Rpa姿態重復性與RPp位置重復性，代表1個指令位姿由相同方向重復響應之后，實到位姿相同程度，測試結果數據都是代數值[6-7]。

5 結論

在電子、航天、航空、汽車、造船、重型機械以及人工智能等領域中激光跟蹤儀的應用較為廣泛，其在工業機器人精度測試以及性能優化等方面具有重要意義，結合GB/T12642—2013文件中測試方法，對機器人各項性能展開系統性測試。同時對于其他類型機器人也能夠通過Spatial Analyzer軟件進行精細測試以及數據分析等。通過對機器人核心部件以及整機展開性能測試，能夠為機器人測試、校準、軟件與工藝改進，硬件升級等方面提供良好保障。