機(jī)器人集成系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試研究

華偉 劉焱

?

機(jī)器人集成系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試研究

華偉1劉焱2

（1.東莞技研新陽電子有限公司 2.東莞新友智能科技有限公司）

針對(duì)機(jī)器人集成系統(tǒng)定位標(biāo)定誤差較大的問題，提出一種機(jī)器人集成系統(tǒng)定位標(biāo)定測(cè)試方法。首先運(yùn)用機(jī)器人微分幾何學(xué)結(jié)合拉線編碼器、陀螺儀傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)遞推公式；然后依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于三邊測(cè)量法、慣性測(cè)量法和三角測(cè)量法測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的要求，識(shí)別機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的誤差；最后通過修正運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人原點(diǎn)標(biāo)定和參數(shù)補(bǔ)償，使機(jī)器人集成系統(tǒng)達(dá)到運(yùn)用場(chǎng)景要求。

機(jī)器人集成系統(tǒng)；拉線編碼器；陀螺儀傳感器；集成系統(tǒng)標(biāo)定；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引言

機(jī)器人定位、工具端定位和工件定位是影響機(jī)器人集成系統(tǒng)有效運(yùn)作的3個(gè)因素，其有效性和經(jīng)濟(jì)性是機(jī)器人普及運(yùn)用的前提。用于系統(tǒng)定位的傳統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試方法主要有三邊測(cè)量法和三角測(cè)量法。針對(duì)這2種標(biāo)定測(cè)試方法國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做很多研究，王小平等（2012）研究三邊測(cè)量法的結(jié)果穩(wěn)定性[1]；丁少文等（2013）在移動(dòng)機(jī)器人定位中，根據(jù)同一位姿下機(jī)器人與不同信標(biāo)點(diǎn)的3個(gè)相對(duì)角值，應(yīng)用三角測(cè)量法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位，并提出基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的相對(duì)角動(dòng)態(tài)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)過程中三角測(cè)量法的連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)用[2]；劉艷等（2015）為提高三邊測(cè)量法定位精度，將三邊測(cè)量法和最小二乘法結(jié)合起來進(jìn)行機(jī)器人定位坐標(biāo)計(jì)算，減小定位誤差[3]?，F(xiàn)有研究較多集中在應(yīng)用三角測(cè)量法或三邊測(cè)量法來減小某一類別定位誤差，對(duì)安裝定位、工具端定位和工件定位三者聯(lián)系分析定位的研究較少。本文提出一種適應(yīng)于機(jī)器人運(yùn)用場(chǎng)景標(biāo)定測(cè)試方法，將安裝定位、工具端定位和工件定位以及三者之間絕對(duì)誤差分析、系統(tǒng)誤差標(biāo)定聯(lián)系起來，通過補(bǔ)償系統(tǒng)誤差獲得最佳使用精度、便捷使用的測(cè)試方法[4-6]。

1 標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)描述

1.1 標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)框圖

標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，包括3個(gè)拉線編碼器（EL）、3個(gè)陀螺儀（IMU）、1個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（MC）和1臺(tái)測(cè)試用計(jì)算機(jī)（PC）；被測(cè)設(shè)備包括XYZR直交機(jī)器人集成裝備、水平四軸機(jī)器人集成裝備和六軸機(jī)器人集成裝備等設(shè)備。

圖1 標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖

標(biāo)定工具將3個(gè)EL和3個(gè)IMU安裝在被測(cè)裝備的設(shè)定位置（一般為工具端）。PC向被測(cè)裝備的MC發(fā)出特定運(yùn)動(dòng)指令，并同時(shí)觸發(fā)3個(gè)EL和3個(gè)IMU；被測(cè)裝備按指令運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)EL和3個(gè)IMU向PC傳遞測(cè)試數(shù)據(jù)；PC接收數(shù)據(jù)，按既定程序和算法分析、計(jì)算，并與被測(cè)裝備MC發(fā)出的設(shè)定運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行比較，得出測(cè)量結(jié)果。

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)格

IMU測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)格和EL測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)格如表1和表2所示。

1.3 標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量方法

1)三邊測(cè)量法

三邊測(cè)量法的計(jì)算模型如圖2所示，3個(gè)EL測(cè)試數(shù)據(jù)分別為1、2、3；其間距離為；工具端坐標(biāo)為：、、。

由畢達(dá)哥拉斯定理得

=(12-22+2)/2

=12-32-2+ (-)2+2

=12-2-2

表1 IMU測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)格

表2 EL測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)格

圖2 三邊測(cè)量法的計(jì)算模型

2)三角測(cè)量法

三角測(cè)量法計(jì)算模型如圖3所示，3個(gè)IMU測(cè)試數(shù)據(jù)分別為方位角1、2、3；俯仰角1、2、3；側(cè)偏角1、2、3；可用基線長(zhǎng)度12，確定被測(cè)裝備設(shè)定位置的坐標(biāo)、、。

由三角函數(shù)定理得

=12sin1sin2/ (sin1+sin2)

=/tan1

=(2+2) tan1

圖3 三角測(cè)量法計(jì)算模型

2 標(biāo)定項(xiàng)目測(cè)試

參照《GB/T12642-2013工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)方法研究：：1) 位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性；2) 多方向位姿準(zhǔn)確度變動(dòng)；3) 距離準(zhǔn)確度和距離重復(fù)性；4) 位置穩(wěn)定時(shí)間；5) 位置超調(diào)量；6) 位姿特性漂移；7) 軌跡準(zhǔn)確度和軌跡重復(fù)性；8) 重復(fù)定向軌跡準(zhǔn)確度；9) 拐角偏差；10) 軌跡速度特性。

2.1 測(cè)量原點(diǎn)測(cè)定

1)在指定位置安裝固定好3個(gè)EL和3個(gè)IMU測(cè)試治具，如圖4所示；

2)被測(cè)設(shè)備以額定速度的10%對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸分別進(jìn)行測(cè)試：移動(dòng)到2/3額定行程處，然后返回設(shè)備原點(diǎn)，此時(shí)測(cè)試軟件記錄EL值和電子陀螺儀IMU值；

3)重復(fù)步驟2）50次；

圖4 (a) 安裝位⑴

(b) 安裝位⑵

4)計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸原點(diǎn)位置正態(tài)分布，如圖5(a)所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)少于規(guī)格值1/6，否則提示“xx軸原點(diǎn)超差，需校正”；

5)按步驟4）提示對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行校正，重復(fù)步驟2)、3)、4)直到滿足設(shè)計(jì)要求，如圖5(b)所示；

(a) 校正前

(b) 校正后

圖5 運(yùn)動(dòng)各軸原點(diǎn)位置正態(tài)分布圖

6)被測(cè)設(shè)備以額定速度的10%對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)進(jìn)行測(cè)試：移動(dòng)到2/3額定行程處，然后回設(shè)備原點(diǎn)，此時(shí)測(cè)試軟件記錄3個(gè)EL和3個(gè)IMU測(cè)試數(shù)據(jù)；

7)重復(fù)步驟6) 50次；

8)計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)回原點(diǎn)位置正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)少于規(guī)格值1/3，否則提示“回原點(diǎn)超差，需校正”；

9)按步驟8)的提示對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行校正，并重復(fù)步驟6)、7)、8)直到滿足設(shè)計(jì)要求；

10)取中心值為EL和IMU相對(duì)刻度零點(diǎn)。

2.2 位置重復(fù)性試驗(yàn)

1)規(guī)劃測(cè)試軌跡時(shí)，可根據(jù)機(jī)器人集成裝備實(shí)際使用場(chǎng)景和機(jī)器人本體絕對(duì)定位精度合理調(diào)整。本測(cè)試系統(tǒng)按國(guó)標(biāo)GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規(guī)范試驗(yàn)軌跡實(shí)例，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)軌跡實(shí)例

①在1-2-7-8平面，由PC按1-2-3-4-5順序依次向MC發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令（包含位置、速度、加減速度信息），PC接收3個(gè)EL和3個(gè)IMU測(cè)試數(shù)據(jù)，并依次計(jì)算1-2-3-4-5坐標(biāo)值；

② PC從MC讀取各運(yùn)動(dòng)軸在1-2-3-4-5的變量值；

③測(cè)試軟件按國(guó)標(biāo)GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規(guī)范之7.2.1位姿準(zhǔn)確度（AP）定義，分析計(jì)算3個(gè)EL和3個(gè)IMU測(cè)試數(shù)據(jù)，并依次計(jì)算出1-2-3-4-5位置準(zhǔn)確度；

④測(cè)試軟件按國(guó)標(biāo)GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規(guī)范之7.2.1位姿準(zhǔn)確度（AP）定義，分析計(jì)算MC中變量值，并依次計(jì)算出1-2-3-4-5機(jī)器人系統(tǒng)位置準(zhǔn)確度；

⑤測(cè)試軟件分析PC指令、3個(gè)EL和3個(gè)IMU測(cè)試數(shù)據(jù)位置準(zhǔn)確度及MC中變量值位置準(zhǔn)確度，機(jī)器人集成系統(tǒng)位置準(zhǔn)確度傾向如圖7所示。

圖7(a)表明：在1、2、3、4、5點(diǎn)觀察的測(cè)試數(shù)據(jù)與MC中變量值位置準(zhǔn)確度的量化關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人整機(jī)裝備提供準(zhǔn)確信息。

圖7(b)表明：1、2、3、4、5點(diǎn)觀察的各運(yùn)動(dòng)軸測(cè)試數(shù)據(jù)與MC中變量值位置準(zhǔn)確度的量化關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人整機(jī)裝備標(biāo)定系統(tǒng)誤差提供準(zhǔn)確可靠的信息。

(a) 散布圖

(b) 箱線圖

圖7 機(jī)器人集成系統(tǒng)位置準(zhǔn)確度傾向

2)重復(fù)步驟1)測(cè)試數(shù)次和調(diào)整即可完成機(jī)器人集成系統(tǒng)標(biāo)定，縮短機(jī)器人整機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間，從而用最低成本、最大化提高整機(jī)裝備的運(yùn)行精度。

3 結(jié)語

1)本測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)避免了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，位置坐標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單快捷、測(cè)試數(shù)據(jù)直觀；

2)分步測(cè)量、標(biāo)定的方法提高誤差的可辨識(shí)性，特別在多個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)耦合嚴(yán)重的情況下，利用精度分析將誤差分類標(biāo)定，加快收斂速度；

3)本方法所使用測(cè)試傳感器體積小、攜帶方便，非常適合機(jī)器人裝備現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)，在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)完成現(xiàn)場(chǎng)安裝任務(wù)。

[1] 王小平,羅軍,沈昌祥.三邊測(cè)量法的結(jié)果穩(wěn)定性研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(6):12-17.

[2] 丁少文,王林.基于連續(xù)三角測(cè)量法的機(jī)器人定位方法[J].微型電腦應(yīng)用,2013,30(5):9-12.

[3] 劉艷,董寬.基于超聲波傳感器的室內(nèi)機(jī)器人定位研究[J].信息技術(shù),2015(8):54-56.

[4] JB/T10825－2008,工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品驗(yàn)收實(shí)施規(guī)范[S].

[5] 汪勵(lì),陳小艷.工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[6] 馮亞磊,曲道奎,徐方,等.一種工業(yè)機(jī)器人零位標(biāo)定方法:中國(guó),CN103659806A[P].2014-03-26.

Research on Positioning and Testing of Robot Integrated System

Hua Wei1Liu Yan2

(1. Dongguan Shintech Electronics Co., Ltd. 2.Dongguan Shinyou Intelligent Technology Co., Ltd.)

Focusing on the problem of large calibration error of robot integrated system, a method of locating and calibrating the robot integrated system is proposed. Firstly, using the differential geometry of the robot and combining the cable encoder and the gyro sensor measurement data, the recursive formula was proposed. And then according to the statistical analysis requirements described in the national standard specification of the trilateral measurement method, inertial measurement and triangulation test, the error of the robot application system was calculated. Finally, the robot’s origin calibration and parameter compensation are realized by modifying the parameters of the motion control system, which makes the robot integrated system to achieve the use of scene requirements.

Robot Integrated System; Cable Encoder; Gyro Sensor; Integrated System Calibration; Motion Control System

華偉，男，1970年生，工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)備研發(fā)工作。

劉焱，男，1974年生，工程師，專科，主要從事工業(yè)機(jī)器人及智能裝備的研發(fā)工作。