工業機器人絕對定位精度測量的研究

胡明哲

遼寧省沈陽市信息工程學校，遼寧沈陽，110000

0 引言

工業機器人本身屬于高功耗動態應用產品，對運行功耗、性能以及定位精度方面的要求較高。同時隨著工業機器人的廣泛應用，對精準的定位精度條件要求更高。為保證工業機器人高效率完成各項工作，高精度定位產品在工業機器人市場上成為追求較高的趨向。通常當工業機器人絕對定位精度產生偏差時，意味著工業機器人精度數據的可靠性下降，此時需要借助各種設備產品或模型技術對定位精度進行可靠性誤差補償。這一情況下，對工業機器人的標定尤為關鍵，成為本文重點的研究方向[1]。

1 關于工業機器人絕對定位精度測量研究綜述

1.1 絕對定位精度研究背景

工業經濟的發展推動了智能制造高端裝配時代的快速到來，為工業機器人的廣泛應用創造了廣闊的發展前景。當前，工業機器人廣泛應用于自動化制造生產線等相關領域，而工業機器人自身的定位精度成為決定機器人能否正常投入生產線的主要性能參數。整體來看，盡管當前工業市場上關于高精度定位產品數量類型在不斷增多，但實際上工業機器人絕對定位精度標準條件與現代工業經濟的發展速度尚未處于相對平衡的狀態，即工業機器人定位精度條件仍然不足，且有著更高要求。文中引言部分首先提出針對工業機器人定位精度條件不足較多采用誤差補償的方式來調整定位精度，通過對工業機器人絕對定位精度的可靠性及其受影響因素等進行重點分析，從而順利引出關于工業機器人絕對精度標定技術及其標定系統的建構分析，以建立機器人誤差模型的方式直觀展示工業機器人絕對定位誤差及其調整思路[2]。

現階段，關于工業機器人絕對精度問題成為一個重要的研究方向，具有較高的研究價值。如2021年，武漢理工大學信息工程學院的尹勇教授對關于“工業機器人絕對精度問題研討”作出專題報告。其中，通過介紹工業機器人概念及其發展歷史，順利引出工業機器人坐標系、重復定位精度與絕對定位精度及其誤差問題來源等相關知識。同時，從研究的意義來看，針對工業機器人絕對定位精度的研究更加傾向于未來研究成果的轉化應用以及工業機器人未來發展前景的預測分析，因而對機器人定位精度矯正原理及系統功能、應用途徑方面的探究尤為重要。

1.2 定位精度可靠性與誤差補償分析

某種程度上，工業機器人定位精度的偏差性與其可靠性屬于反作用關系，當定位精度條件不足或偏差較大時，機器人的可靠性明顯被削弱。其中，當工業機器人存在關節間隙、零部件周長加工偏差或者零件安裝誤差等不確定變零因素時，工業機器人終端執行系統的運動執行位置距離目標執行位置產生不同程度的距離偏差，此時表明機器人定位精度明顯下降，機器人執行性能被削弱。因而，工業機器人定位精度條件成為衡量機器人性能的一項重要指標參數，直接決定著機器人零件加工及高端裝配工作質量和效率。通常將工業機器人定位精度分為絕對定位精度和重復定位精度，提高機器人定位精度可靠性是提升機器人性能參數的關鍵性因素，常采用某種技術來對工業機器人的定位精度條件進行誤差補償。

1.3 工業機器人定位精度因素檢測分析

工業機器人的研發為現代化智能制造業提供重要的技術支撐，在推動工業轉型升級、強國建設過程中發揮著不可替代的作用。當前，國內工業機器人朝著智能化、產業化、高端化方向快速發展，已經基本具備工業機器人研發設計、智能化制造、零部件配套及工程應用等方面的產業化發展能力。國內工業機器人已經廣泛應用于汽車生產制造、金屬加工等各個行業領域，但國產工業機器人在絕對定位精度方面暴露出諸多問題，明顯限制了工業機器人的創新研發與推廣應用。

對工業機器人性能指標的確定及其規范性試驗應當嚴格遵循《GB/T 12642-2013工業機器人性能規范及其試驗方法》相關標準，工業機器人性能指標測試主要以ISO9283衡量標準。通常對機器人定位精度的分析需要先看衡量標準，進一步分析具體技術和方法，最后科學選擇適合的測量設備。國家標準規范中，明確規定了工業機器人的主要性能指標，包含機器人位置、距離的重復性與準確性，以及執行運動位置的穩定性等等。通常依據這些性能指標，從機器人重復定位精度與絕對定位精度分別衡量機器人的性能[3]。

從定位精度的誤差測量角度看，目前多采用頂尖對齊、拉線測量以及影像測量等多種方法，不同方法本身有著不同的局限性，無法統一保障末端測量結果的絕對精確性。對工業機器人定位精度測量誤差補償在借助各種測量方法的基礎上，還仰賴于各種專業的測量工具以及數字化模型，以充分適應不同應用場景下工業機器人性能參數要求。

2 關于工業機器人絕對定位精度測量算法

2.1 坐標系轉換法

當前，工業機器人在工業機械制造相關領域有著較為普遍的應用，具有通用性強的特點。通常為保證機器人末端執行精度的可靠性，會在機器人出廠之前或者使用一段時間后對其進行校準和標定。對工業機器人內部空間精度的測量應當借助三維測量設備，以測量得到的坐標信息為基礎建構三維坐標系。坐標系轉換模式下，三維空間測量儀器與機器人坐標信息的轉換關系成為機器人校準標定的重要前提，當前對內部測量機理需要進一步地深入研究。

采用坐標系轉換法，首先需要科學選擇測量點位，結合工業機器人內部工作空間，分別選取A1、A2、A3、A4、A5這五個點位，按照順時針方向建構形成的矩陣斜平面能夠最大限度考慮到工業機器人內部工作所占據的空間。其次，借助機器人控制器驅動機器人運作，確保機器人末端系統按順序依次經過A1到A5測試點，使用測量儀器記錄過程三維空間坐標參數，以此為依據構建測量儀器與機器人坐標系的轉換關系。最后，結合實際情況選擇適合的測量儀器來分析系統誤差，利用信息技術對相關數據信息進行針對性處理。從機器人系統坐標系的建構來看，主要包括最基本的關節坐標系、笛卡爾坐標系與世界坐標系。其中關節坐標系作為最基本的坐標系，分為六個自由度，習慣將其稱之為六個軸。而笛卡爾坐標系主要包括XYZ三個坐標軸，以原點為機器人中心點，三個坐標軸分別指向不同的方向[4]。同時，世界坐標系同樣具備六個自由度。關于機器人坐標轉換矩陣算法，以機器人坐標系線性代數理論為基礎，從多個維度分別求解世界坐標。即根據已知的機器人尺寸和關節坐標、直角坐標來求解世界坐標。另外，在已知世界坐標的基礎上求解關節坐標，運用線性代數矩陣計算理論進行求解，重點考慮關節坐標與世界坐標的轉換問題，確保計算結果同機器人末端實際運行結果相一致。

2.2 位置檢測算法

位置檢測算法主要針對機器人末端位置進行準確檢測，需要對檢測工作原理及數學算法理論有較深的理解。在實際檢測中，借助驅動控制器讓機器人運動到某一工作空間檢測點，將機器人末端中心點設為Z，同時設Z在基坐標系中的坐標位置Z（Z1,Z2,Z3），根據不同坐標系將機器人末端位置上的三個位移傳感器裝置對準樣板并發射出三束激光，Z點到激光點的距離可通過位移傳感器來測量，將其另外標記。將樣板上的光電運用相機采集數據進行圖像識別，得出樣板坐標系中的坐標參數，將其帶入同一轉換共時計算不同參數在基坐標系中的位置。最后將具體問題轉化到同一基坐標系中，建立坐標標準方程，以此來記錄機器人末端的位置信息，從而對機器人末端位置進行準確測量。

3 工業機器人絕對定位精度標定系統優化

3.1 基于關節坐標系優化測量空間

當機器人末端開始運動時，產生的運動性能參數主要用來描述機器人在工作空間內的運行行為，以此確定行為標量參數。對于機器人運動性能指標的構建，通常以機器人關節空間參數向操作空間運動深度進行傳遞，當達到某一特定值時，機器人處于奇異形位狀態，此時需要根據機器人末端運動速度進行反解。當機器人關節速度不存在或者速度非常大時，表明機器人運動性能有所下降，進而直接影響工業機器人定位控制精度。通常，機器人關節速度函數與空間運動位置參數相關，以此來分析獲取優化機器人運動性能空間的分布特征體系，當機器人運動性能衡量指標參數越高，表明機器人性能越好。

工業機器人關節運動坐標往往決定著機器人末端位置，從機器人關節運動特性出發，分別獲取機器人關節運動空間與笛卡爾坐標系優化測量空間。關節坐標模式下，六個自由度成為機器人最顯著的關節結構特征，主要影響機器人運動末端姿態，需要重點考慮機器人末端奇異位置。當機器人關節角度達到某一特定值，奇異位置將不存在。一般情況下，機器人運動性能指標參數越大，就越遠離奇異位置，在保證機器人末端姿態不受奇異位置的影響下，能夠準確獲取機器人關節轉動準確值，進而保證機器人的運動性能。

3.2 優化絕對定位測量標定方法

當前對工業機器人絕對定位精度問題的研究，主要標定方法包括離線誤差補償和在線誤差補償兩種類型。在線誤差補償通常需要借助外部設備作為一個實時追蹤反饋裝置，旨在獲得機器人末端處理器的執行位置信息，以此進行在線調整，不斷提高機器人絕對定位精度。而離線誤差補償主要作用于機器人作業之前的階段，采用數學算法、運動模型標定以及神經網絡等方法來對機器人末端處理器執行精度進行準確標定，進而對機器人定位精度進行準確補償。采用在線誤差補償對外部實時反饋設備以及機器人末端處理器裝置性能及裝配精度有較高要求，所耗費的成本也相對較高，能夠獲得更加精確的誤差精度[5]。

3.2.1 在線誤差補償

在線誤差補償法主要針對工業機器人末端執行系統位置來分析，通過利用跟蹤儀、測量儀等外部追蹤設備裝置來獲取機器人末端執行位置信息，并將信息實時反饋給計算機系統，借助極端及系統來處理相關信息，以此獲得三維坐標系，確定理想的坐標點。此時，對機器人末端執行位置進行適當調整，確保機器人末端執行位置點與理想定位精度相吻合。其中，使用激光跟蹤儀設備來追蹤測量機器人位置的重復性和絕對精度，借助機器驅動傳感器裝置接口在線補償機器人絕對定位精度誤差。采用在線補償誤差法能夠簡化計算機復雜的操作程序，盡可能避免外部因素對機器人定位精度產生誤差影響，促使測量結果優于測量標定方法。即，當機器人正常執行某項任務時，采用在線誤差補償對機器人位置進行準確補償，同時利用計算機記錄補償數據，在機器人重復執行某項任務時，不需要激光跟蹤儀的實施追蹤參與就能合理控制機器人定位精度。

3.2.2 離線誤差補償

離線補償誤差法主要是指當機器人末端實際運行軌跡與目標執行運動軌跡產生偏差時，在已有的誤差模型基礎上，利用已經生成補償的新軌跡數據進行離線補償，確保機器人實際運行軌跡與目標執行軌跡高度一致。離線誤差更傾向于建立在剛性誤差模型的基礎上進行柔性誤差補償。通過分析機器人驅動和結構剛度、機械臂重力條件，以此為依據推算笛卡爾的剛度矩陣，對生成補償軌跡進行修改。通過修改新輸入軌跡的方式來達到柔性誤差補償的效果。

當采用運動模型參數標定時，主要利用機器人關節六個自由度度量軸線的方式來標定定位精度，采用徑向排列約束標定法來準確確定機器人末端執行系統中心，建構相對應的世界坐標系坐標。

另外，采用神經網絡技術方法來建構多重因素的機器人執行非線性映射體系，通過神經網絡實現誤差補償。在國外研究成果中，利用離線誤差補償法幾何圖形代碼程序來改變機器人執行輸入軌跡。同時依據建構的機器人柔性模型與機械剛度模型來分析預測機器人刀尖靜位移和切削力，對機器人執行軌跡進行改良，能夠從根本上減少機器人制造加工過程誤差，提高機器人絕對定位精度。

3.3 絕對定位精度誤差標定模型建構

由工業機器人的重復定位精度和絕對定位精度可以推斷出定位精度誤差原因，主要包括客觀隨機誤差和主觀認知誤差。其中，隨機誤差與機器人生產制造過程中的溫度、負重負載、加速度以及環境等因素相關，影響機器人重復定位精度。而主觀認知誤差則與人的行為因素有更大關聯，包括運動學參數設定、機械臂重力結構等，對機器人絕對精度產生直接性影響。

微分運動學理論下關于機器人運動形態的研究說明，在已知三維空間內某一關節點位置的基礎上還需要獲取該點位置的位置信息。其中關于位置可使用兩個不同坐標系中的坐標進行旋轉變化，形成矩陣方程，以此判斷運動學模型與機器人位姿形態間的關系，為機器人誤差補償模型的建立奠定堅實基礎。

4 結語

目前，國內關于工業機器人絕對定位精度問題的研究有待進一步加強。同時，國內學者對此已經初步形成較為豐碩的研究成果?；诖?，本文對機器人絕對定位精度誤差原因及其特點進行詳細分析，分別從在線誤差補償和離線誤差補償兩方面來探索機器人絕對定位精度測量標定方法的實踐應用情況。