激光跟蹤儀在機(jī)器人性能測試中的應(yīng)用★

陳剛 ， 吳雪珂 ， 歐永 ， 石雄毅 ， 王林 張杭

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實驗室，廣東 廣州 510610；4.泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 泰州 225500）

0 引言

機(jī)器人的發(fā)展歷史不算長，但其發(fā)展卻非常迅速。自20世紀(jì)50年代末第一臺機(jī)器人誕生后，隨著科技水平的提升，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也得到飛速的發(fā)展。2015年，國務(wù)院提出國家戰(zhàn)略 《中國制造2025》，部署全面推進(jìn)實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，中國將由制造大國走向制造強(qiáng)國，發(fā)展智能制造就是其中一個主攻方向。目前，國內(nèi)工業(yè)制造正在加速轉(zhuǎn)型升級，對于自動化軟件和硬件設(shè)備的需求不斷地增長，在這個過程中，工業(yè)機(jī)器人的市場需求強(qiáng)勁上漲，機(jī)器人、3D打印等將是智能制造的重要支撐和依托。

工業(yè)機(jī)器人主要由本體 （包含機(jī)械軀干部分、電機(jī)和減速機(jī)）和電控 （包括驅(qū)動和控制系統(tǒng)）兩個部分構(gòu)成，其作用是利用末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替人手來抓取物品或工具，完成不同的任務(wù)。目前主流的工業(yè)機(jī)器人有3種，包括:SCARA（四軸平行關(guān)節(jié)機(jī)器人）、DELTA（并聯(lián)機(jī)器人）和六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人 （包括六軸以上的多關(guān)節(jié)機(jī)器人和衍生的雙臂機(jī)器人）。機(jī)器人具有效率高、工作時間長、工藝修改柔性好和出品一致性好等特點，在替代人工管理、解決用工成本高和人手不足的問題上發(fā)揮著重要的作用。

我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的控制技術(shù)、鑄造和工藝等都已經(jīng)達(dá)到了較高的水準(zhǔn)，但目前檢測手段仍比較落后，在制造過程控制、關(guān)鍵核心部件上跟國外比還存在明顯的差距，因此，本文對激光跟蹤儀在機(jī)器人性能測試中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，以期為工業(yè)機(jī)器人的檢測、校準(zhǔn)等提供一定的參考。

1 激光跟蹤儀介紹

1.1 激光跟蹤儀概述

激光跟蹤儀是現(xiàn)代工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)及控制技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)臻g靜止或運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時地測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，具有精度高、效率高、實時跟蹤測量、安裝快捷和操作簡便等優(yōu)點。激光跟蹤系統(tǒng)在我國的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，上飛、沈飛集團(tuán)在我國第一次引進(jìn)了進(jìn)口激光跟蹤系統(tǒng)[1-2]。

目前世界上主要的激光跟蹤儀廠家有:美國API、瑞士徠卡 （Leica）、美國法如 （Faro）和加拿大的Optech，相對來說，Leica和API的激光跟蹤儀的精度高一些，也最穩(wěn)定。美國API等品牌的激光跟蹤儀如圖1所示。

1.2 激光跟蹤儀的組成

激光跟蹤儀的硬件包括:角度測量部件、距離測量部件、跟蹤控制部件、系統(tǒng)控制器部件和支撐部件。為了提高激光跟蹤儀的測量效率和自動化程度，激光跟蹤儀還備有一些專用附件，例如:數(shù)字式溫度傳感器、氣壓傳感器和遙控器，數(shù)字式溫度傳感器和氣壓傳感器可用于對氣象參數(shù)進(jìn)行測定和修正，遙控器可用在鏡站對測站進(jìn)行操作和控制。

圖1 美國API等品牌激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的軟件是測量系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括:1）儀器控制與坐標(biāo)測量軟件；2）系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件；3）分析與計算軟件等。激光跟蹤儀的測量方式包括:靜態(tài)點測量、動態(tài)目標(biāo)跟蹤測量、對目標(biāo)連續(xù)采樣、格網(wǎng)采樣和表面測量等。激光跟蹤儀的測量結(jié)果可以用坐標(biāo)方式或圖形方式來顯示。

激光跟蹤儀實質(zhì)上是一臺能激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀，與全站儀不同的是它沒有望遠(yuǎn)鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的3個軸，3軸相交的中心是測量坐標(biāo)系的原點。系統(tǒng)的硬件主要組成部分包括:傳感器頭、控制器、電動機(jī)、傳感器電纜、帶LAN電纜的應(yīng)用計算機(jī)和反射器，如圖2所示。

圖2 激光跟蹤儀的組成

a）傳感器頭

傳感器頭的作用主要為讀取角度和距離測量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉(zhuǎn)，每根軸具有一個編碼器用于角度測量和一只直接供電的DC電動機(jī)來進(jìn)行遙控移動。傳感器頭的油缸包含了一個測量距離差的單頻激光干涉測距儀 （IFM）和一個絕對距離測量裝置 （ADM）。激光束通過安裝在傾斜軸和旋轉(zhuǎn)軸交叉處的一面鏡子直指反射器，也用作為儀器的平行瞄正軸。挨著激光干涉儀的光電探測器 （PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。

b）控制器

包含電源、編碼器、干涉儀用計數(shù)器、電動機(jī)放大器、跟蹤處理器和網(wǎng)卡。跟蹤處理器將跟蹤器內(nèi)的信號轉(zhuǎn)化成角度和距離觀測值，通過局域網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用計算機(jī)上；同理，從計算機(jī)中發(fā)出的指令也可以通過跟蹤處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換再傳送給跟蹤器，完成測量操作。

c）電纜

傳感器電纜和電動機(jī)電纜分別用來完成傳感器和電動機(jī)與控制器之間的連接。LAN電纜則用于跟蹤處理器和應(yīng)用計算機(jī)之間的連接。

d）應(yīng)用計算機(jī)

加載了工業(yè)用的專業(yè)配套軟件，用來發(fā)出測量指令和接收測量數(shù)據(jù)。靶球反射器 （如圖3所示）是激光跟蹤測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。作為光學(xué)逆反射器，它把所有的沿光軸方向入射的光線沿原路反射回去，進(jìn)入干涉系統(tǒng)，與參考光發(fā)生干涉實現(xiàn)對位移的高精度測量；作為測量系統(tǒng)的測頭，它直接與被測物體接觸，用目標(biāo)反射鏡中心的坐標(biāo)值來描述被測對象的形狀和尺寸。

圖3 靶球 （SMR）及靶球在鳥巢的位置

e）氣象站

氣象站的作用主要為記錄空氣壓力和溫度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在計算激光反射時是必需要用到的，并通過串行接口被傳送給聯(lián)機(jī)的計算機(jī)應(yīng)用程序。

f）測量附件

包括三角支架、手推服務(wù)小車等。支架用來固定激光跟蹤儀，調(diào)整高度，保證各種測量模式的穩(wěn)定性，并且三角支架底座帶輪子，可方便地移動激光跟蹤儀。手推服務(wù)小車則可裝載控制器等設(shè)備，運送方便快捷。

1.3 激光跟蹤儀的測量原理

激光跟蹤儀測量原理分兩部分論述:激光跟蹤原理和激光跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)測量原理。

1.3.1 激光跟蹤原理

當(dāng)跟蹤系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，如圖4所示，由激光發(fā)生器射出的光束，經(jīng)過干涉光路和分光鏡，被跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射到目標(biāo)鏡中心。沿目標(biāo)反射鏡中心入射的光線按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光鏡反射到光電位置檢測器的中心，位置檢測器輸出零電壓信號，此時控制電路沒有信號輸出到電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)反射鏡運動一個位移量后，如圖5所示，此時光束不再從目標(biāo)鏡中心入射，從而目標(biāo)反射鏡返回的光束與入射光平行，兩者相距2λ。返回光經(jīng)過分光鏡，一部分落在位置檢測器上，此時光斑中心將偏離位置檢測器中心，隨即產(chǎn)生一個偏差信號，該信號經(jīng)放大調(diào)節(jié)后通過伺服控制回路控制電機(jī)帶動轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動，使照射到目標(biāo)反射鏡的光束方向發(fā)生變化，直至入射光通過目標(biāo)反射鏡的中心，使系統(tǒng)重新達(dá)到跟蹤平衡狀態(tài)[3]。

圖4 激光跟蹤儀的平衡狀態(tài)

圖5 激光跟蹤儀的不平衡狀態(tài)

1.3.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的坐標(biāo)測量原理

首先，以跟蹤頭中心為原點，建立球坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 激光跟蹤儀的球坐標(biāo)系統(tǒng)

設(shè)P（x，y，z）為被測空間點，假設(shè)點P到點O的距離為L，OP與Z軸的夾角為β，OP在oxy平面內(nèi)的投影與x軸的夾角為α，則點P（x，y，z）的表達(dá)式為:

式 （1）中:α、β的值由安裝在跟蹤頭中的兩個角度編碼器測量得出；L的值通過安裝在激光頭中的激光干涉儀獲得。

激光干涉法的測距原理如圖7所示。

圖7 激光跟蹤儀原理圖

API激光跟蹤儀包括一個紅色氦氖激光束，激光束會被靶球 （SMR）反射回來。激光跟蹤儀通過測量俯仰角 （EL）、水平方位角 （AZ）和一個半徑距離來決定反射鏡中心點的球坐標(biāo)。角EL和AZ用安裝在激光跟蹤儀仰角軸和方位角軸上的編碼器測量。半徑用一個叫做干涉計的裝置測量，即干涉計可根據(jù)氦氖激光的穩(wěn)定波長來測量半徑的大小。坐標(biāo)數(shù)據(jù)被傳送到電腦主機(jī)。軟件系統(tǒng)把這些數(shù)據(jù)傳送到一個用戶根據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)定義的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)中。

因為干涉計測量距離時是相對測量，激光束路徑被打斷時距離測量就會變得不合理。這個中斷直到反射鏡被測量到一個已知的參考距離 （例如初始位置）來為干涉計重置初始距離，從而繼續(xù)干涉測距，例如:我們通常所說的 “回巢”就是在為干涉計重置初始距離，或者通過絕對距離測量 （ADM:Absolute Distance Measurement）來為干涉計重置初始距離。

ADM的原理如圖8所示。

圖8 ADM的原理圖

API激光跟蹤儀使用氦氖激光進(jìn)行跟蹤和干涉距離測量，作為氦氖激光的補充，API激光跟蹤儀使用一個紅外激光進(jìn)行ADM。使用ADM功能時用戶在一次光束阻斷后靶球不需要回到家點來重置激光干涉計距離讀數(shù)。

1.4 API激光跟蹤儀系統(tǒng)的基本參數(shù)

美國API激光跟蹤儀R20 Radian是美國API公司的新一代激光跟蹤測量系統(tǒng)，具有靶球自動鎖定和自我診斷等功能，Radian以最新研發(fā)的INNOVO智能測量系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，因而其功能更強(qiáng)大，表現(xiàn)也更卓越。

美國API激光跟蹤儀Radian的技術(shù)參數(shù)如下所示。

a）線性測量范圍 （直徑）:40 m （R20 Radian）。

b） 角度測量指標(biāo): 水平方向為640。（±320。），垂直方向為+79?！?59。， 角度分辨力為±0.018 ″， 角度精度為3.5 μm/m。

c） 空間精度:IFM 靜態(tài)為±10 μm 或 5×10-6（2Sigma） （以較大者為準(zhǔn)），跟蹤速度＞6 m/s，最大加速度＞2 g。

d）激光特性:干涉儀為安全氦氖激光，分辨力為 0.08 μm， 精度＞±0.5×10-6， ADM-Maxx 為安全紅外激光。

e） 分辨力:0.1 μm。

f） 精度: ±10 μm 或 1×10-6（以較大者為準(zhǔn)）。

g）重量:主機(jī)為9 kg，控制箱為3.2 kg。

h） 尺寸: 主機(jī)為 177 mm×177 mm×355 mm，控制箱為110 mm×160 mm×310 mm。

i）工作環(huán)境:溫度范圍為-10～45。C，大氣壓力為225～900 mmHg，相對濕度為0～100%無凝結(jié)，海拔為3 000 m。

j）I-Vision功能:工作范圍為0～25 m （標(biāo)準(zhǔn)型），視野范圍為30。。

2 激光跟蹤儀性能測試流程

激光跟蹤儀性能測試流程如圖9所示，具體的內(nèi)容如下所述。

圖9 激光跟蹤儀測試流程圖

2.1 激光跟蹤儀測試系統(tǒng)的搭建

測試工作開展前，首先需要搭建激光跟蹤儀測試系統(tǒng)，主要包括:三腳架打開鎖定、跟蹤頭安裝旋緊、氣象站連接、跟蹤頭與控制器的連接、控制器與上位機(jī) （PC電腦）的通訊等。

2.2 激光跟蹤儀上電預(yù)熱

分別給控制器和跟蹤頭上電，鑒于激光跟蹤儀IFM測試?yán)煤つ始す?，氦氖激光穩(wěn)定需要一定的時間，所以每次上電后需要等待20～40 min的預(yù)熱時間。

2.3 激光跟蹤儀校準(zhǔn) [4]

預(yù)熱時間過后，需要利用API自帶的校準(zhǔn)軟件Tacker Cal進(jìn)行激光跟蹤儀的校準(zhǔn)，包括APC校準(zhǔn)和前后視檢查，以保證激光跟蹤儀在測試前處于良好的精度狀態(tài)。

2.4 定義工作立方體

國標(biāo)[5]要求工業(yè)機(jī)器人所有的位姿和軌跡測試必須在機(jī)器人常用的立方體之內(nèi)，空間立方體建立的標(biāo)準(zhǔn)是盡量地滿足機(jī)器人運動的極限位置。建立完畢后，首先，從機(jī)器人示教器讀取立方體各頂點數(shù)據(jù) （C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8）； 然后，再由API提供的上位機(jī)軟件RPM v2.1記錄并保存立方體數(shù)據(jù)，依據(jù)ISO 9283，用機(jī)座坐標(biāo)系用戶需要定義最大工作區(qū)間、XYZ的最大值和C1坐標(biāo)；最后，點擊 “Create Cube”按鈕，工作立方體即可創(chuàng)建完成，如圖10所示。

圖10 建立空間立方體

2.5 坐標(biāo)系統(tǒng)一

工作空間立方體建立完畢后，激光跟蹤儀需要在其自己的坐標(biāo)系下讀取立方體內(nèi)部斜面4個頂點（C1、C2、C7、C8）的坐標(biāo)位置，計算處理，然后把機(jī)器人基底笛卡爾坐標(biāo)系和激光跟蹤儀笛卡爾坐標(biāo)系建立統(tǒng)一，具體的步驟如下所述。

a）將鳥巢靶球引導(dǎo)到SMR1；

b）操作機(jī)器人移動到C3，點擊C3按鈕讀取跟蹤儀測試坐標(biāo)；

c）操作機(jī)器人移動到C4，點擊C4按鈕讀取跟蹤儀測試坐標(biāo)；

d）操作機(jī)器人移動到C5，點擊C5按鈕讀取跟蹤儀測試坐標(biāo)；

e）操作機(jī)器人移動到C6，點擊C6按鈕讀取跟蹤儀測試坐標(biāo)；

f） 建立轉(zhuǎn)換， 利用立方體 （C3、 C4、 C5、 C6）平面和 （C1、C2、C7、C8）平面垂直關(guān)系和各點坐標(biāo)確定關(guān)系，將機(jī)器人基坐標(biāo)和跟蹤儀坐標(biāo)系建立統(tǒng)一相對位置；

g）生成兩個坐標(biāo)系誤差。

2.6 位姿教學(xué)

坐標(biāo)系建立統(tǒng)一之后，需要對激光跟蹤儀進(jìn)行示教，讓其在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下記錄5個點的坐標(biāo)位置 （P1、 P2、 P3、 P4、 P5）， 這 5 個點分別取自立方體的4條對角線，其中P1為立方體的中心點。所有測試前工作準(zhǔn)備完畢后，即可以根據(jù)自己的需求展開相應(yīng)的測試，具體的步驟如下所述。

a）操作機(jī)器人到P5；

b）鎖定激光束到SMR1，點擊開始按鈕；

c） 操作機(jī)器人沿著 C3→C4→C5→C6→P1→P2→P3→P4→P5移動， 每點持續(xù) 7 s；

d） “SMR1 teaching was done”消息框彈出，點擊 “ok”，鎖定SMR2，重復(fù)c）操作；

e）鎖定SMR3，重復(fù)c）操作；

f）當(dāng)SMR3學(xué)習(xí)完成時，點擊 “Create Axis”來計算機(jī)座坐標(biāo)系直線；

g）點擊 “角度學(xué)習(xí)”按鈕 ，點擊 “Fin-ish”完成系統(tǒng)設(shè)置。

3 性能參數(shù)測試

3.1 國標(biāo)測試項目

依照GB/T 12642-2013測試方法，14項測試內(nèi)容如圖11所示。

圖11 GB/T 12642-2013中規(guī)定的14項測試內(nèi)容

3.2 測試示例

位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性 （Pose Accuracy and Repeatability）測試[6-7]的示例圖如圖12所示，具體的步驟如下所述:

圖12 EPSON工業(yè)六軸機(jī)器人性能測示例

a）選擇機(jī)器人速度測試條件和負(fù)載條件；

b）操作機(jī)器人到P1點，停止；

c）選擇循環(huán)30次，時間大約為1.5 h；

d）點擊開始測試，激光跟蹤器聚集SMR3參考學(xué)習(xí)的數(shù)值；

e）當(dāng)實時數(shù)據(jù)變藍(lán)時，開始運行循環(huán)P5→P4→P3→P2→P1→P5……P1， 設(shè)置各個點大約停止27 s；

f）跟蹤器自動測試3個靶球數(shù)據(jù)，循環(huán)結(jié)束自動停止；

g）如果不能測試3個靶球的數(shù)據(jù)，增加各個點的停止時間；

h）結(jié)束后點擊Analysis按鈕，數(shù)據(jù)分析窗口會彈出，從而得到位姿準(zhǔn)確度包括位置準(zhǔn)確度（RPp） 和姿態(tài)準(zhǔn)確度 （RPa、 RPb、 RPc）。

位姿準(zhǔn)確度試驗條件如圖13所示，測試結(jié)果（EPSON工業(yè)六軸機(jī)器人，型號C4-R901）如表1-2所示。

?

表1 位姿準(zhǔn)確度

表2 位姿重復(fù)性

圖13 位姿準(zhǔn)確度和重復(fù)性試驗條件

3.3 結(jié)果說明

RPM v2.1軟件自動輸出了5個位姿 （P1、P2、P3、P4、P5）的測試結(jié)果，其中位姿準(zhǔn)確度包括位姿準(zhǔn)確度 （APp） 和姿態(tài)準(zhǔn)確度 （APa、 APb、 APc），表示指令位姿和實到位姿平均值的偏差；位姿重復(fù)性包括位置重復(fù)性 （RPp） 和姿態(tài)重復(fù)性（RPa、 RPb、 RPc）， 表示對同一指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后的實到位姿的一致程度，測試結(jié)果所有的數(shù)值均為代數(shù)值，可正可負(fù)。

4 結(jié)束語

激光跟蹤儀在人工智能、重型機(jī)械、造船、汽車、航空、航天和電子等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，其對工業(yè)機(jī)器人的高精度多元素的測試和性能改進(jìn)意義重大，跟蹤儀軟件依照GB/T 12642-2013規(guī)定的測試方法，對六軸機(jī)器人的14項性能進(jìn)行完整的系統(tǒng)測試。對其他類型的機(jī)器人和非標(biāo)自動化裝置也可以使用Spatial Analyzer通用軟件 （簡稱SA軟件）開展精細(xì)測試、數(shù)據(jù)分析和圖形生成等。

機(jī)器人整機(jī)和核心部件的性能檢測，為工業(yè)機(jī)器人的檢測、校準(zhǔn)[8-9]、工藝改進(jìn)、軟件優(yōu)化、硬件升級和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的提升提供了有力的支撐。