基于正交實(shí)驗(yàn)的工業(yè)機(jī)器人軌跡精度檢測(cè)

李斌 李夢(mèng)奇 王蒙寬 梁睿

摘?要：工業(yè)機(jī)器人軌跡精度在機(jī)器人性能屬于較為重要的參數(shù)指標(biāo)，用于工藝加工的工業(yè)機(jī)器人工廠在軌跡精度與重復(fù)精度方面要求極高?；赗adian激光跟蹤儀的高精度測(cè)量平臺(tái)，針對(duì)機(jī)器人的軌跡速度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在忽略其他因素的情況下，溫度、負(fù)載、速度3因素中對(duì)于機(jī)器人軌跡速度特性影響最大的是負(fù)載因素。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn);軌跡速度特性;軌跡精度;激光跟蹤儀

中圖分類號(hào)：TP242.2?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著高薪技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防、航天等行業(yè)。工業(yè)機(jī)器人軌跡精度成為衡量機(jī)器人工作性能的一大重要指標(biāo)[1-3]。因此對(duì)機(jī)器人的軌跡精度影響因素進(jìn)行研究是有必要的。當(dāng)下機(jī)器人的精度已達(dá)到一個(gè)較高的水準(zhǔn)，想要提高精度，使用精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)、測(cè)量廣的激光跟蹤儀進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究機(jī)器人的軌跡精度影響因素，獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性高[4-5]。

1 軌跡速度特性（RTp）

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12624-2103的要求，我們對(duì)機(jī)器人的軌跡特性進(jìn)行檢測(cè)[6]。軌跡特性（1）軌跡速度準(zhǔn)確度（AV）：表示指令速度與沿軌跡進(jìn)行n次重復(fù)測(cè)量所獲取的實(shí)到速度平均值之差，表達(dá)時(shí)我們采用指令速度百分比。（2）軌跡速度重復(fù)性（RV）：表示對(duì)于同一指令速度所得實(shí)到速度的一致程度。（3）軌跡速度波動(dòng)（FV）：是指再現(xiàn)一種指令的過程中速度的最大變化量。

2 Radian激光跟蹤儀工作原理

Radian激光跟蹤儀采用的是API最新的絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)（ADM-MaxxTM）。ADM是一種通過時(shí)間計(jì)算距離的測(cè)量方式，得到靶球中心的位置也是通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)角度AZ角和EZ角以及一個(gè)球半徑距離。激光頭射出兩道激光，一道激光用于做參考光線，另一道則通過靶球反射回儀器，然后和參考光發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉距離。利用激光波長(zhǎng)穩(wěn)定的特性，激光跟蹤儀可以精準(zhǔn)的測(cè)量出任意一個(gè)空間點(diǎn)的坐標(biāo)。而API絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)讓跟蹤儀在斷光時(shí)能快速地獲得靶球的位置，不斷地跟蹤靶球的位置。再將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)主機(jī)和SA軟件中，SA軟件將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到用戶定義的測(cè)量坐標(biāo)系中，比較數(shù)據(jù)后測(cè)出機(jī)器人的誤差值[7]。

3 試驗(yàn)過程

3.1 軌跡速度特性測(cè)試

根據(jù)Radian激光跟蹤儀軌跡速度特性測(cè)試要求，在新工件坐標(biāo)系中，機(jī)器人以直線方式運(yùn)動(dòng)，編寫機(jī)器人指令使機(jī)器人在100%、50%、10%速度和100%、50%、10%的負(fù)載下走如下軌跡：首先將機(jī)器人定位于P4點(diǎn)，接著運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)并駐留3000ms給予激光跟蹤儀足夠的識(shí)別時(shí)間，再返回到P4點(diǎn)繼續(xù)駐留3000ms，如此循環(huán)10次以上。

3.2 Radian激光跟蹤儀正交測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.2.1 確定實(shí)驗(yàn)因素與水平

在機(jī)器人在不同的溫度下進(jìn)行測(cè)試，選取以下溫度：20℃、25℃、30℃，以及10%、50%、100%的負(fù)載與運(yùn)行10%、50%、100%速度，以軌跡P4至P2至P4，循環(huán)測(cè)試10次以上。

3.2.2 制作因素水平表

由于在實(shí)際考察問題中因素往往較多，每個(gè)因素水平較多，若使用全面實(shí)驗(yàn)法，雖然結(jié)果較為準(zhǔn)確但是實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多費(fèi)時(shí)費(fèi)力。此時(shí)我們選取正交試驗(yàn)方法，制作因素水平表1。

3.2.3 選取正交表

在本實(shí)驗(yàn)中的因素有3個(gè)水平，因此需要選用Ln（3m）型正交表，且有本實(shí)驗(yàn)包含3個(gè)因素，并不考慮交互作用，所以要選一張m>3的表，而L9（34）是滿足條件的最小正交表，因此我們選用此表[8]。

3.2.4 設(shè)計(jì)表頭

由于本實(shí)驗(yàn)不考慮因素間的交互作用，將各因素分別放置在正交表L9（34）上方，每個(gè)因素隨機(jī)排布，不同因素各自占取一列，從而設(shè)計(jì)出表頭。

3.2.5明確檢測(cè)方案

正交表中的個(gè)列填寫的數(shù)值1、2、3代表著該列因素在該試驗(yàn)中的不同水平，這樣正交表每一行將對(duì)應(yīng)一種實(shí)驗(yàn)情況，其中的空格列隊(duì)實(shí)驗(yàn)無影響，由此的檢測(cè)方案如表2。

4 軌跡速度測(cè)試結(jié)果分析

上圖為20℃下，機(jī)器人以10%負(fù)載，10%V、50%V和100%V運(yùn)動(dòng)所測(cè)得的軌跡速度度特性如圖。

通過表3可以看出，對(duì)于機(jī)器人精度影響最大的因素是B負(fù)載因素，其次是A溫度因素，最后是速度因素，綜上分析最優(yōu)精度方案為A3B1C1，最差精度狀態(tài)為A2B3C3。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)10KG川崎機(jī)器人的軌跡速度特性測(cè)試過程進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在溫度、負(fù)載、速度3個(gè)因素與3個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得不同的狀態(tài)下工業(yè)機(jī)器的軌跡速度特性，并通過分析獲得如下結(jié)論：

（1）在溫度、負(fù)載、速度3個(gè)因素中對(duì)于機(jī)器人軌跡速度特性影響最大的為負(fù)載因素，因此在使用工業(yè)機(jī)器人時(shí)負(fù)載最好不要超過額定負(fù)載，否則精度將受大幅影響。

（2）本實(shí)驗(yàn)通過正交試驗(yàn)獲得最優(yōu)精度狀態(tài)為30℃下，10%L與10%V狀態(tài)下，這說明機(jī)器人在稍高溫度下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更好，反應(yīng)更靈敏。

參考文獻(xiàn)：

[1]賽迪智庫(kù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)形勢(shì)分析課題組.2019年中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)展望[N].中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)，2019-03-25（012）.

[2]Judd R P，Knasinski A B.A technique to calibrate industrial robots with experimental verification[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，1990，6（1）：20-30.

[3]Renders J M Rossignol E，Becquet M，et al.Kinematic calibration and geometrical parameter identification for robots[J].Robotics & Automation IEEE Transactions on，1991，7（6）：721-732.

[4]Dennis B J E，Schnabel R I.Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations[M].Prentice-Hall，2009.

[5]Gong C Yuan J，Ni J.Nongeometric error identification and compensation for robotic system by inverse calibration[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40（14）：2119-2137.

[6]王魯平.串聯(lián)機(jī)器人多誤差因素影響下定位精度分析及其誤差補(bǔ)償[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]何曉煦，田威，曾遠(yuǎn)帆，等.面向飛機(jī)裝配的機(jī)器人定位誤差和殘差補(bǔ)償[J].航空學(xué)報(bào)，2016（04）：292-302.

[8]錢小輝，馬驍妍，秦中華，侯少靜，徐美杭，張鵬，朱自安.基于正交試驗(yàn)的玻璃殼熱應(yīng)力影響因素分析[J/OL].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1-8[2019-06-29].