胡明哲

遼寧省沈陽市信息工程學(xué)校，遼寧沈陽，110000

0 引言

工業(yè)機器人本身屬于高功耗動態(tài)應(yīng)用產(chǎn)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(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，對精準的定位精度條件要求更高。為保證工業(yè)機器人高效率完成各項工作，高精度定位產(chǎn)品在工業(yè)機器人市場上成為追求較高的趨向。通常當(dāng)工業(yè)機器人絕對定位精度產(chǎn)生偏差時，意味著工業(yè)機器人精度數(shù)據(jù)的可靠性下降，此時需要借助各種設(shè)備產(chǎn)品或模型技術(shù)對定位精度進行可靠性誤差補償。這一情況下，對工業(yè)機器人的標定尤為關(guān)鍵，成為本文重點的研究方向[1]。

1 關(guān)于工業(yè)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(yè)經(jīng)濟的發(fā)展推動了智能制造高端裝配時代的快速到來，為工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前，工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于自動化制造生產(chǎn)線等相關(guān)領(lǐng)域，而工業(yè)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(chǎn)線的主要性能參數(shù)。整體來看，盡管當(dāng)前工業(yè)市場上關(guān)于高精度定位產(chǎn)品數(shù)量類型在不斷增多，但實際上工業(yè)機器人絕對定位精度標準條件與現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展速度尚未處于相對平衡的狀態(tài)，即工業(yè)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(yè)機器人定位精度條件不足較多采用誤差補償?shù)姆绞絹碚{(diào)整定位精度，通過對工業(yè)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(guān)于工業(yè)機器人絕對精度標定技術(shù)及其標定系統(tǒng)的建構(gòu)分析，以建立機器人誤差模型的方式直觀展示工業(yè)機器人絕對定位誤差及其調(diào)整思路[2]。

現(xiàn)階段，關(guān)于工業(yè)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(xué)信息工程學(xué)院的尹勇教授對關(guān)于“工業(yè)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(yè)機器人概念及其發(fā)展歷史，順利引出工業(yè)機器人坐標系、重復(fù)定位精度與絕對定位精度及其誤差問題來源等相關(guān)知識。同時，從研究的意義來看，針對工業(yè)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(zhuǎn)化應(yīng)用以及工業(yè)機器人未來發(fā)展前景的預(yù)測分析，因而對機器人定位精度矯正原理及系統(tǒng)功能、應(yīng)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(yè)機器人定位精度的偏差性與其可靠性屬于反作用關(guān)系，當(dāng)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(dāng)工業(yè)機器人存在關(guān)節(jié)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(yè)機器人終端執(zhí)行系統(tǒng)的運動執(zhí)行位置距離目標執(zhí)行位置產(chǎn)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(zhí)行性能被削弱。因而，工業(yè)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(shù)，直接決定著機器人零件加工及高端裝配工作質(zhì)量和效率。通常將工業(yè)機器人定位精度分為絕對定位精度和重復(fù)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(shù)的關(guān)鍵性因素，常采用某種技術(shù)來對工業(yè)機器人的定位精度條件進行誤差補償。

1.3 工業(yè)機器人定位精度因素檢測分析

工業(yè)機器人的研發(fā)為現(xiàn)代化智能制造業(yè)提供重要的技術(shù)支撐，在推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、強國建設(shè)過程中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)前，國內(nèi)工業(yè)機器人朝著智能化、產(chǎn)業(yè)化、高端化方向快速發(fā)展，已經(jīng)基本具備工業(yè)機器人研發(fā)設(shè)計、智能化制造、零部件配套及工程應(yīng)用等方面的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展能力。國內(nèi)工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造、金屬加工等各個行業(yè)領(lǐng)域，但國產(chǎn)工業(yè)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(yè)機器人的創(chuàng)新研發(fā)與推廣應(yīng)用。

對工業(yè)機器人性能指標的確定及其規(guī)范性試驗應(yīng)當(dāng)嚴格遵循《GB/T 12642-2013工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法》相關(guān)標準，工業(yè)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(shù)和方法，最后科學(xué)選擇適合的測量設(shè)備。國家標準規(guī)范中，明確規(guī)定了工業(yè)機器人的主要性能指標，包含機器人位置、距離的重復(fù)性與準確性，以及執(zhí)行運動位置的穩(wěn)定性等等。通常依據(jù)這些性能指標，從機器人重復(fù)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(tǒng)一保障末端測量結(jié)果的絕對精確性。對工業(yè)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(chǔ)上，還仰賴于各種專業(yè)的測量工具以及數(shù)字化模型，以充分適應(yīng)不同應(yīng)用場景下工業(yè)機器人性能參數(shù)要求。

2 關(guān)于工業(yè)機器人絕對定位精度測量算法

2.1 坐標系轉(zhuǎn)換法

當(dāng)前，工業(yè)機器人在工業(yè)機械制造相關(guān)領(lǐng)域有著較為普遍的應(yīng)用，具有通用性強的特點。通常為保證機器人末端執(zhí)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(yè)機器人內(nèi)部空間精度的測量應(yīng)當(dāng)借助三維測量設(shè)備，以測量得到的坐標信息為基礎(chǔ)建構(gòu)三維坐標系。坐標系轉(zhuǎn)換模式下，三維空間測量儀器與機器人坐標信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系成為機器人校準標定的重要前提，當(dāng)前對內(nèi)部測量機理需要進一步地深入研究。

采用坐標系轉(zhuǎn)換法，首先需要科學(xué)選擇測量點位，結(jié)合工業(yè)機器人內(nèi)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(gòu)形成的矩陣斜平面能夠最大限度考慮到工業(yè)機器人內(nèi)部工作所占據(jù)的空間。其次，借助機器人控制器驅(qū)動機器人運作，確保機器人末端系統(tǒng)按順序依次經(jīng)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(shù)，以此為依據(jù)構(gòu)建測量儀器與機器人坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。最后，結(jié)合實際情況選擇適合的測量儀器來分析系統(tǒng)誤差，利用信息技術(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行針對性處理。從機器人系統(tǒng)坐標系的建構(gòu)來看，主要包括最基本的關(guān)節(jié)坐標系、笛卡爾坐標系與世界坐標系。其中關(guān)節(jié)坐標系作為最基本的坐標系，分為六個自由度，習(xí)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(guān)于機器人坐標轉(zhuǎn)換矩陣算法，以機器人坐標系線性代數(shù)理論為基礎(chǔ)，從多個維度分別求解世界坐標。即根據(jù)已知的機器人尺寸和關(guān)節(jié)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(chǔ)上求解關(guān)節(jié)坐標，運用線性代數(shù)矩陣計算理論進行求解，重點考慮關(guān)節(jié)坐標與世界坐標的轉(zhuǎn)換問題，確保計算結(jié)果同機器人末端實際運行結(jié)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(shù)學(xué)算法理論有較深的理解。在實際檢測中，借助驅(qū)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(shè)為Z，同時設(shè)Z在基坐標系中的坐標位置Z（Z1,Z2,Z3），根據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)進行圖像識別，得出樣板坐標系中的坐標參數(shù)，將其帶入同一轉(zhuǎn)換共時計算不同參數(shù)在基坐標系中的位置。最后將具體問題轉(zhuǎn)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(yè)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 基于關(guān)節(jié)坐標系優(yōu)化測量空間

當(dāng)機器人末端開始運動時，產(chǎn)生的運動性能參數(shù)主要用來描述機器人在工作空間內(nèi)的運行行為，以此確定行為標量參數(shù)。對于機器人運動性能指標的構(gòu)建，通常以機器人關(guān)節(jié)空間參數(shù)向操作空間運動深度進行傳遞，當(dāng)達到某一特定值時，機器人處于奇異形位狀態(tài)，此時需要根據(jù)機器人末端運動速度進行反解。當(dāng)機器人關(guān)節(jié)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(yè)機器人定位控制精度。通常，機器人關(guān)節(jié)速度函數(shù)與空間運動位置參數(shù)相關(guān)，以此來分析獲取優(yōu)化機器人運動性能空間的分布特征體系，當(dāng)機器人運動性能衡量指標參數(shù)越高，表明機器人性能越好。

工業(yè)機器人關(guān)節(jié)運動坐標往往決定著機器人末端位置，從機器人關(guān)節(jié)運動特性出發(fā)，分別獲取機器人關(guān)節(jié)運動空間與笛卡爾坐標系優(yōu)化測量空間。關(guān)節(jié)坐標模式下，六個自由度成為機器人最顯著的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特征，主要影響機器人運動末端姿態(tài)，需要重點考慮機器人末端奇異位置。當(dāng)機器人關(guān)節(jié)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(shù)越大，就越遠離奇異位置，在保證機器人末端姿態(tài)不受奇異位置的影響下，能夠準確獲取機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動準確值，進而保證機器人的運動性能。

3.2 優(yōu)化絕對定位測量標定方法

當(dāng)前對工業(yè)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(shè)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(zhí)行位置信息，以此進行在線調(diào)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(yè)之前的階段，采用數(shù)學(xué)算法、運動模型標定以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來對機器人末端處理器執(zhí)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(shè)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(yè)機器人末端執(zhí)行系統(tǒng)位置來分析，通過利用跟蹤儀、測量儀等外部追蹤設(shè)備裝置來獲取機器人末端執(zhí)行位置信息，并將信息實時反饋給計算機系統(tǒng)，借助極端及系統(tǒng)來處理相關(guān)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(zhí)行位置進行適當(dāng)調(diào)整，確保機器人末端執(zhí)行位置點與理想定位精度相吻合。其中，使用激光跟蹤儀設(shè)備來追蹤測量機器人位置的重復(fù)性和絕對精度，借助機器驅(qū)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(fù)雜的操作程序，盡可能避免外部因素對機器人定位精度產(chǎn)生誤差影響，促使測量結(jié)果優(yōu)于測量標定方法。即，當(dāng)機器人正常執(zhí)行某項任務(wù)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(shù)據(jù)，在機器人重復(fù)執(zhí)行某項任務(wù)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(dāng)機器人末端實際運行軌跡與目標執(zhí)行運動軌跡產(chǎn)生偏差時，在已有的誤差模型基礎(chǔ)上，利用已經(jīng)生成補償?shù)男萝壽E數(shù)據(jù)進行離線補償，確保機器人實際運行軌跡與目標執(zhí)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(chǔ)上進行柔性誤差補償。通過分析機器人驅(qū)動和結(jié)構(gòu)剛度、機械臂重力條件，以此為依據(jù)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?shù)男Ч?/p>

當(dāng)采用運動模型參數(shù)標定時，主要利用機器人關(guān)節(jié)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(zhí)行系統(tǒng)中心，建構(gòu)相對應(yīng)的世界坐標系坐標。

另外，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方法來建構(gòu)多重因素的機器人執(zhí)行非線性映射體系，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(zhí)行輸入軌跡。同時依據(jù)建構(gòu)的機器人柔性模型與機械剛度模型來分析預(yù)測機器人刀尖靜位移和切削力，對機器人執(zhí)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(gòu)

由工業(yè)機器人的重復(fù)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(chǎn)制造過程中的溫度、負重負載、加速度以及環(huán)境等因素相關(guān)，影響機器人重復(fù)定位精度。而主觀認知誤差則與人的行為因素有更大關(guān)聯(lián)，包括運動學(xué)參數(shù)設(shè)定、機械臂重力結(jié)構(gòu)等，對機器人絕對精度產(chǎn)生直接性影響。

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

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)關(guān)于工業(yè)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(nèi)學(xué)者對此已經(jīng)初步形成較為豐碩的研究成果。基于此，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(yīng)用情況。