淺談柔性制造中工業(yè)機(jī)器人的高精度定位方法

楊程

【摘 要】在工業(yè)機(jī)器人高精度控制的基礎(chǔ)上構(gòu)建柔性制造單元或是柔性生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生控制制造的快速化、柔性化和自動(dòng)化生產(chǎn)。對(duì)于我國現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以及提高中國創(chuàng)造具有重要的意義。如何實(shí)現(xiàn)柔性制造的工業(yè)機(jī)器人的高精度定位提升的思路和方法，對(duì)于我國現(xiàn)代工業(yè)的機(jī)械化、智能化生產(chǎn)提供一定的技術(shù)和理論支持。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代工業(yè)；柔性制造；工業(yè)機(jī)器人；高精度控制

中圖分類號(hào)： TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.006

Discussion on high-precision positioning method of industrial robot in flexible manufacturing

YANG Cheng

（Hubei Transportation Vocational and Technical College， Hubei Wuhan 430070， China）

【Abstract】Based on the high precision control of industrial robots， flexible manufacturing units or flexible production lines are constructed to realize the rapid， flexible and automated production of industrial robots. It is of great significance for the industrial transformation and upgrading of China's modern industrial industry and the improvement of China's creation. How to realize the high-precision positioning and upgrading of flexible manufacturing industrial robots provides certain technical and theoretical support for the mechanization and intelligent production of modern industry in China.

【Key words】Modern industry； Flexible manufacturing； Industrial robots； High-precision control

隨著2015年我國正式公布的工業(yè)4.0規(guī)劃，其中明確指出制造業(yè)在我國國民生產(chǎn)總值中的主體地位，強(qiáng)調(diào)了制造業(yè)對(duì)于提升我國綜合國力，同時(shí)也提出要能夠在工業(yè)制造中實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備和產(chǎn)品的制造發(fā)展。而以工業(yè)機(jī)器人為代表的自動(dòng)化設(shè)備平臺(tái)以其高度靈活性和編程性特點(diǎn)，能夠滿足批量化的生產(chǎn)需求，還可以實(shí)現(xiàn)批量多產(chǎn)品的快速更換生產(chǎn)制造。但是工業(yè)機(jī)器人仍是以面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手多自由度的機(jī)器裝置，其運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性等還不能夠滿足當(dāng)下一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線的柔性配置和制造系統(tǒng)，因而要求能夠展開對(duì)面向現(xiàn)代柔性制造的工業(yè)機(jī)器人高精度技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容研究。

1 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于我國社會(huì)發(fā)展而言，其擁有全球最廣闊的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場，并且隨著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和人口紅利的退減，導(dǎo)致的中國機(jī)器人應(yīng)用市場的快速發(fā)展。并且可以預(yù)見在未來我國工業(yè)機(jī)器人的范圍和使用將會(huì)呈現(xiàn)出柔性化、智能化等方向發(fā)展。

我國正在盡力推動(dòng)自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)模式，即將柔性制造同工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量問題。在未來工業(yè)機(jī)器人主要的發(fā)展方向?yàn)閷?shí)現(xiàn)精密化、柔性化、智能化和軟件應(yīng)用開發(fā)為一體的工業(yè)機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)，從而達(dá)到對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)施檢測、控制、優(yōu)化和調(diào)動(dòng)等全過程的自動(dòng)化管理。如機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及仿真等先進(jìn)的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的綜合性發(fā)展。這對(duì)于面向現(xiàn)代柔性制造的工業(yè)機(jī)器人高精度控制方法的研究具有重要的理論支持，我國將全力提供技術(shù)支持、資金支持工業(yè)機(jī)器人滿足社會(huì)生產(chǎn)需求。

2 當(dāng)前影響工業(yè)機(jī)器人高精度發(fā)展的因素分析

工業(yè)機(jī)器人在柔性制造中的廣泛應(yīng)用的核心因素在于其絕對(duì)定位精度低、長期穩(wěn)定性差等方面。由于影響工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度的因素的多樣的，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的定位誤差的影響因素的分析，可以有效的提升工業(yè)機(jī)器人高精度控制。第一是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)的設(shè)定帶來的絕對(duì)定位精度的差異，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)設(shè)定會(huì)產(chǎn)生桿件長度誤差、關(guān)節(jié)碼盤的靈位檢查等等，這些偏差會(huì)導(dǎo)致定位的不精準(zhǔn)，因而當(dāng)前主要是通過對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的各種參數(shù)的零偏差設(shè)定，來實(shí)現(xiàn)對(duì)其高精度化控制；下圖為工業(yè)機(jī)器人的d-h坐標(biāo)輔助機(jī)器人展開精準(zhǔn)度的定位運(yùn)動(dòng)。

第二是工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的負(fù)載變形帶來的影響，如機(jī)器人主要是在實(shí)現(xiàn)杠件力學(xué)

柔性形變、高速運(yùn)動(dòng)過程中殘生的附加內(nèi)應(yīng)力、末端執(zhí)行器等都會(huì)導(dǎo)致待加工零件受力變形，從而帶來其工作的精度的不準(zhǔn)確，要求能夠在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)中，減少代加工零件受力變形的程度。第三是控制環(huán)境因素對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的定位精度影響，在現(xiàn)實(shí)中，工業(yè)生產(chǎn)的場所的溫度大小、濕度情況都都會(huì)影響工業(yè)機(jī)器人的定位精度問題因而要求能夠?qū)崿F(xiàn)定位誤差補(bǔ)充設(shè)定。

3 柔性制造中工業(yè)機(jī)器人高精度定位方法分析

針對(duì)上述提到的影響工業(yè)機(jī)器人高精度控制的因素可知，當(dāng)前主要采用的精度誤差補(bǔ)充設(shè)定有以下幾點(diǎn)；

3.1 基于機(jī)器人模型的標(biāo)定方法

基于模型的標(biāo)定方式主要是通過在工業(yè)機(jī)器人建模、測量和參數(shù)識(shí)別層面上的校準(zhǔn)補(bǔ)償。該方法主要運(yùn)用于由于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)誤差，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人而言，運(yùn)動(dòng)學(xué)模式的參數(shù)誤差問題不能夠直接用定位誤差修正方式，這是因而模型中的相關(guān)參數(shù)都是非線性耦合的，這些參數(shù)之間相互影響，單純的實(shí)現(xiàn)某一個(gè)參數(shù)的可靠性和精度的調(diào)整是不可能的。同時(shí)也是因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)節(jié)角的該變量的不定性所影響，當(dāng)前可以對(duì)其的運(yùn)動(dòng)末端的位姿進(jìn)行求解，主要方式如下：

通過公式可以求得8個(gè)解，對(duì)無效解進(jìn)行剔除，在余下的有效解中，選取最接近與當(dāng)前機(jī)器人關(guān)節(jié)位置的解，就是最終解。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和求解方式，可以分析其的高精度控制方式可以采用分層、多級(jí)的補(bǔ)償測量，采用逐層逐級(jí)的補(bǔ)償和參數(shù)修正。如利用試驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差建模方式來對(duì)參數(shù)因素等誤差進(jìn)行標(biāo)定，繼而建立合理的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型來準(zhǔn)確描述真實(shí)的誤差情況，從而提高兩者之間的相互耦合概率。模型的影響因素?cái)?shù)量同參數(shù)辨識(shí)之間成正比，為了改變該現(xiàn)象，可以從增加魯棒性即增加參數(shù)辨識(shí)的可靠性來分離出對(duì)末端精度影響最大的因素進(jìn)行辨識(shí)和補(bǔ)償。

3.2 工業(yè)機(jī)器人的非模型標(biāo)定方法

工業(yè)機(jī)器人中定位精度的影響因素的標(biāo)定方式很多，采用費(fèi)默星標(biāo)定方法可以通過曲線擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)工業(yè)機(jī)器人局部空間內(nèi)位的誤差進(jìn)行評(píng)估和補(bǔ)償。（1）是采用曲線擬合的定位誤差標(biāo)定和控制。曲線擬合的誤差標(biāo)定法主要的流程是通過誤差測量、曲線擬合和誤差插補(bǔ)三個(gè)步驟，首先是通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)空間中的姿態(tài)下的位姿誤差進(jìn)行測量，利用曲線擬合法構(gòu)建機(jī)器人在作業(yè)空間中存在的位姿誤差分布曲線情況，將其補(bǔ)償?shù)郊榷ǖ哪繕?biāo)位姿上；（2）是基于空間插值的定位誤差標(biāo)定的方式?？臻g插值的定位誤差標(biāo)定是將工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)空間進(jìn)行立體網(wǎng)格化的區(qū)分劃定，并且通過測量設(shè)備測得各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的位姿誤差，從而建立起機(jī)器人的定位誤差數(shù)據(jù)庫。（3）是基于審計(jì)網(wǎng)絡(luò)的定位誤差標(biāo)定，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提高工業(yè)機(jī)器人的高精度控制能夠?qū)τ诙鄥?shù)耦合的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式的表述。如利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)于多組不同關(guān)節(jié)角度的末端執(zhí)行器的空間位姿進(jìn)行信息的收集和模擬，利用這些信息形成對(duì)機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制網(wǎng)來達(dá)到對(duì)關(guān)節(jié)角的補(bǔ)償。

3.3 基于高精度外部觀測設(shè)備的實(shí)時(shí)精確定位

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人面對(duì)柔性制造現(xiàn)場所呈現(xiàn)的定位漂移問題可以采用高精度外部觀測設(shè)備對(duì)機(jī)器人的末端工具進(jìn)行精確定位的方式，來展開對(duì)定位漂移的有效腳掌。如利用光學(xué)三坐標(biāo)測量機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器位置在工作環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的漂移的校對(duì)。當(dāng)前主要采用的測量其主要有激光跟蹤儀、IGPS等方式進(jìn)行測量，采集到多維的數(shù)據(jù)信息，由此展開評(píng)估補(bǔ)償。

總而言之，當(dāng)前在面向現(xiàn)代柔性工業(yè)機(jī)器人的高精度控制方法中，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的評(píng)估和補(bǔ)償方式是較為簡單且技術(shù)成熟的一種，但是其仍舊存在一些問題，如模型的不定性、機(jī)器人在工作環(huán)境中不能夠?qū)δ承┓纻芜M(jìn)行有效的補(bǔ)償。而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部測量設(shè)備的精度提高方式則能夠有效的發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前的設(shè)計(jì)制造特性，按照機(jī)器人的制造的設(shè)計(jì)原理對(duì)其定位誤差的分布規(guī)律等進(jìn)行摸索排查。因而說在實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的高精度控制方法要求能夠綜合展開上述三種方式的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免出現(xiàn)某一技術(shù)方式短板所帶來的精度不精準(zhǔn)的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)于現(xiàn)代柔性制造產(chǎn)業(yè)，如航空航天制造業(yè)，其所制造的工業(yè)零件具有品類多、批量小以及精度要求高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造方式不能夠全面滿足這些生產(chǎn)需求特點(diǎn)，導(dǎo)致航天航空企業(yè)發(fā)展的成本較大、產(chǎn)品的質(zhì)量和響應(yīng)速度受到影響。因而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的高精度定位方法的優(yōu)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高精度補(bǔ)償技術(shù)，提高柔性制造水平，能夠?yàn)閷?duì)航空航天制造領(lǐng)域在內(nèi)的柔性制造行業(yè)提供新的動(dòng)能，也可以預(yù)見，在現(xiàn)代柔性制造行業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)下，工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)度較為得到較大程度的提升，而工業(yè)機(jī)器人將會(huì)得到較大的發(fā)展空間。

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