工業(yè)機(jī)器人誤差影響因素及測(cè)量方法研究

龔家勤，李夢(mèng)奇，鄧 倖之

（邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000）

工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的典型代表，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如電弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等。目前工業(yè)機(jī)器人在大批量自動(dòng)化的生產(chǎn)中已經(jīng)替代傳統(tǒng)人工完成了高質(zhì)量的自動(dòng)化工作，提高了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，因此對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在正常工作時(shí)，在速度和空間上的準(zhǔn)確定位、運(yùn)動(dòng)速度、加速度的誤差大小和定位精度都有嚴(yán)格的規(guī)定和要求。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)和出廠時(shí)都需要對(duì)其定位精度和誤差進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)還要通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度和空間加速度，選擇合適的誤差測(cè)量方法來(lái)確定和提高工業(yè)機(jī)器人的定位精度，這就顯得尤為重要。

1 影響工業(yè)機(jī)器人誤差的因素

造成工業(yè)機(jī)器人誤差的主要影響因素非常復(fù)雜，一般將這些影響機(jī)器人誤差大小因素大致分為兩種，靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素。其中靜態(tài)因素一般定義為不隨工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變的因素。而相對(duì)應(yīng)地，動(dòng)態(tài)因素可以定義為會(huì)隨著工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變動(dòng)的因素[1]。

1.1 靜態(tài)因素

影響機(jī)器人誤差大小的靜態(tài)因素主要包括：

（1）連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差。由于機(jī)器人的各個(gè)組成部分在零件加工與裝配過(guò)程中的結(jié)構(gòu)誤差常常難以避免，致使機(jī)器人的連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論值與實(shí)際的參數(shù)值之間往往存在著較大的誤差，進(jìn)而直接導(dǎo)致機(jī)器人末端的執(zhí)行器位置發(fā)生了偏差。

（2）工作環(huán)境溫度的誤差。如果機(jī)器人工作環(huán)境中的溫度和空氣濕度發(fā)生變化，將直接導(dǎo)致機(jī)器人的各連桿長(zhǎng)度以及執(zhí)行器的硬度尺寸發(fā)生微小的變化，長(zhǎng)期使用引起的零件磨損也可能會(huì)直接導(dǎo)致末端機(jī)器人各連桿和零部件的長(zhǎng)度和尺寸的位置發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致機(jī)器人的末端各連桿和執(zhí)行器的位置產(chǎn)生誤差。

（3）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差。主要原因包括傳動(dòng)關(guān)節(jié)由于運(yùn)動(dòng)副磨損原因引起的固有運(yùn)動(dòng)角誤差和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角誤差。傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差主要是來(lái)源于伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器等齒輪傳動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的齒輪與傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差、齒輪的關(guān)節(jié)間隙與傳動(dòng)關(guān)節(jié)間隙的撓性。為了有效減小齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)誤差對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度造成的影響，工業(yè)高精密機(jī)器人的傳動(dòng)關(guān)節(jié)大都是采用直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和諧波驅(qū)動(dòng)的減速器組合為一體的技術(shù)設(shè)計(jì)，使得傳動(dòng)關(guān)節(jié)的裝配可以達(dá)到很高的裝配精度，關(guān)節(jié)的間隙可以通過(guò)較高的齒輪裝配傳動(dòng)精度，或者是采用高精密材料進(jìn)行加工的減速器實(shí)現(xiàn)，有些高精密的機(jī)器人因?yàn)椴捎弥苯佑呻姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)而直接省去了減速器。

（4）計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)誤差。主要包括計(jì)算機(jī)編程的方法和控制算法有關(guān)的控制系統(tǒng)誤差，主要是指直接根據(jù)求解的算法和控制算法在計(jì)算機(jī)內(nèi)的運(yùn)算字長(zhǎng)所直接造成的比特誤差。比特誤差與傳統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)的誤差相比，小到可以忽略不計(jì)。

（5）標(biāo)定位置和傳感器的誤差。主要包括分辨率和標(biāo)定位置誤差等，主要是指由于分辨率傳感器、位置傳感器等引起的誤差，在機(jī)器人執(zhí)行器端工作時(shí)所能得到的空間分辨率和位移最小值。分辨率的誤差意味著在該最小值之下的空間位移最小值無(wú)法精確地被感知。

1.2 動(dòng)態(tài)因素

影響機(jī)器人誤差大小的動(dòng)態(tài)因素主要包括：

（1）指令誤差。包括插補(bǔ)誤差、圓整累積誤差和擬合誤差等。

（2）各類(lèi)機(jī)械臂傳動(dòng)受力和軸向彈性關(guān)節(jié)誤差。主要包括機(jī)器人自重、慣性和內(nèi)力、外力等多種因素作用引起的機(jī)器人關(guān)節(jié)和各機(jī)械臂的彈性變形、齒輪的受傳動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)傳動(dòng)間隙等。

（3）模擬關(guān)節(jié)數(shù)字碼盤(pán)精度數(shù)字自動(dòng)讀取時(shí)的精度計(jì)算誤差。主要因素包括采用機(jī)器人模擬關(guān)節(jié)數(shù)字碼盤(pán)自動(dòng)讀取的計(jì)算精度、機(jī)器人數(shù)字關(guān)節(jié)碼盤(pán)精度與微控制器的數(shù)字自動(dòng)控制和文字?jǐn)?shù)據(jù)處理分辨的結(jié)合能力，編程能力、計(jì)算機(jī)舍入數(shù)據(jù)精度的計(jì)算誤差等。

2 工業(yè)機(jī)器人誤差測(cè)量方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)機(jī)器人定位誤差測(cè)量的認(rèn)識(shí)和研究由來(lái)已久。常用的誤差測(cè)量裝置有經(jīng)緯儀、球桿、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光跟蹤儀等。常見(jiàn)的測(cè)量方法主要可以歸納為三類(lèi)：基于機(jī)器人的視覺(jué)圖像處理技術(shù)的測(cè)量方、基于激光跟蹤儀測(cè)量方法和基于拉線編碼器測(cè)量方法。

2.1 基于機(jī)器視覺(jué)處理技術(shù)測(cè)量方法

機(jī)器視覺(jué)處理技術(shù)本身就是模擬人類(lèi)視覺(jué)采集外界信息并處理信息的過(guò)程，被認(rèn)為是機(jī)器控制系統(tǒng)的重要反饋環(huán)節(jié)。所謂的機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)先進(jìn)的圖像采集技術(shù)和利用圖像信號(hào)分析技術(shù)獲取物體的形狀等信息，并將其信息傳輸反饋給機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要目的之一就是使機(jī)器人能夠從單個(gè)或一系列二維的圖像中準(zhǔn)確讀取和計(jì)算出物體的形狀、大小、空間以及位置移動(dòng)。但是由于容易受到攝像光線等的影響，測(cè)量的精度低，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需考慮工作環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。

2.2 基于激光跟蹤儀測(cè)量方法

眾所周知，激光跟蹤儀具有圖像分辨率高、工作范圍空間大、非接觸測(cè)量、性能穩(wěn)定、原理簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)定位精度測(cè)量。在機(jī)器人的測(cè)試和準(zhǔn)備階段，激光跟蹤儀的優(yōu)點(diǎn)是將靶球直接安裝在一個(gè)機(jī)器人手臂末端執(zhí)行器的固定裝置上。根據(jù)末端固定裝置的類(lèi)型，可以同時(shí)放置多個(gè)靶球，適用于機(jī)床上和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)定位和跟蹤測(cè)量以及動(dòng)靜態(tài)位姿的測(cè)量。激光跟蹤儀的缺點(diǎn)是反射的光束必須在整個(gè)機(jī)器人測(cè)量的過(guò)程中連續(xù)反射可見(jiàn)。如果光束反射中斷，則必須從頭開(kāi)始重新固定裝置測(cè)量，并且其成本也較高，一般運(yùn)用于工業(yè)機(jī)床上。

2.3 基于拉線編碼器測(cè)量方法

基于拉線編碼器測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括工業(yè)機(jī)器人，數(shù)據(jù)采集單元，測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)，如圖1所示。測(cè)量單元包括測(cè)量適配器和測(cè)量桿，測(cè)量適配器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由四個(gè)爪組成，它的功能是將與爪連接的四根拉線在空間上相交。測(cè)量桿用于固定拉線編碼器并提供穩(wěn)定的底座。數(shù)據(jù)采集單元為高頻數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)四根測(cè)試?yán)€與安裝在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上的測(cè)量適配器連接，拉線編碼器的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡連接，最后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算。機(jī)器人和計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接，機(jī)器人直接受計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊控制，完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人末端的空間位置改變時(shí)，四根測(cè)試?yán)€的長(zhǎng)度也會(huì)改變，該長(zhǎng)度的原始數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)收集。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算，獲得了工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置信息，并在計(jì)算機(jī)軟件中描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算實(shí)時(shí)速度和加速度值，并將獲得的歷史數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，方便后續(xù)分析處理[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

拉線編碼器作為測(cè)量的主體，利用拉線編碼器的測(cè)試?yán)€長(zhǎng)度來(lái)?yè)Q算機(jī)器人末端執(zhí)行器上的點(diǎn)位坐標(biāo)值變化，操作簡(jiǎn)便、可靠，對(duì)環(huán)境要求低，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)試設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間大，且測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，可適用于工業(yè)復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人向智能化和人機(jī)交互發(fā)展已成為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展受到末端執(zhí)行器精度的限制。機(jī)器人精度誤差的測(cè)量方法將成為未來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章就影響機(jī)器人誤差的主要因素，誤差的主要測(cè)量方法進(jìn)行了梳理，比較了各種測(cè)量方法的特點(diǎn)、優(yōu)劣與應(yīng)用場(chǎng)合，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。