Leica絕對(duì)激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)中的應(yīng)用

劉凱

針對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度較低，在某些高精度檢測(cè)、加工及制造應(yīng)用領(lǐng)域存在的較大應(yīng)用短板，作為全球領(lǐng)先的計(jì)量方案提供商——海克斯康通過(guò)感知、解析及行動(dòng)，推出了工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)系統(tǒng)，提高工業(yè)機(jī)器人精度，以彌補(bǔ)其在應(yīng)用領(lǐng)域存在的不足。文章詳細(xì)介紹了該工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及校準(zhǔn)檢測(cè)流程，并通過(guò)案例展示其在工業(yè)機(jī)器人參數(shù)補(bǔ)償與性能檢測(cè)中的巨大優(yōu)勢(shì)。

一、引言

在新的國(guó)際國(guó)內(nèi)環(huán)境下，立足于國(guó)際產(chǎn)業(yè)變革大勢(shì)，2015年5月19日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《中國(guó)制造2025》，旨在全面提升中國(guó)制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平，從制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)。同時(shí)我國(guó)科技部印發(fā)了關(guān)于發(fā)布國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能機(jī)器人等重點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知，圍繞了對(duì)工業(yè)機(jī)器人以及其他五個(gè)方向進(jìn)行部署，落實(shí)《中國(guó)制造2025》等規(guī)劃，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展（圖1）。

通過(guò)近十年的發(fā)展，中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從小到大，目前已經(jīng)形成了一百余家從事機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、工程應(yīng)用以及零部件配套的產(chǎn)業(yè)集群，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的應(yīng)用已遍及汽車制造、工程機(jī)械、食品加工等行業(yè)。隨著國(guó)產(chǎn)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，僅僅保證重復(fù)性指標(biāo)已經(jīng)不能滿足需求，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人絕對(duì)定位精度較低的弊端越來(lái)越凸顯，成為限制國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的絆腳石，如何提高絕對(duì)定位精度成為國(guó)產(chǎn)機(jī)器人廠家亟待解決的問(wèn)題。

2016年我國(guó)正式開始建立實(shí)施機(jī)器人檢測(cè)認(rèn)證制度，以助力國(guó)產(chǎn)機(jī)器人質(zhì)量控制和自主創(chuàng)新能力提升，助推國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)步升級(jí)，增強(qiáng)我國(guó)在全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和合格評(píng)定程序制定方面的話語(yǔ)權(quán)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)器人檢測(cè)認(rèn)證制度的實(shí)施，需要建立規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證方式，也需要系統(tǒng)全面的檢測(cè)手段支撐，然而在機(jī)器人整體性能指標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域，還并沒(méi)有一套完備的解決方案。

二、國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人精度校準(zhǔn)及性能檢測(cè)的現(xiàn)狀

1.國(guó)產(chǎn)機(jī)器人存在的問(wèn)題

儀據(jù)《GB/T 12642-2013工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》，衡量工業(yè)工業(yè)機(jī)器人性能的指標(biāo)如圖2所示。

從以上指標(biāo)可以看出，描述工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)方面：重復(fù)性和準(zhǔn)確性。重復(fù)性是指工業(yè)機(jī)器人重復(fù)回到同一位姿的能力，即重復(fù)定位精度;準(zhǔn)確性是工業(yè)機(jī)器人到達(dá)指令位姿的能力，也叫絕對(duì)定位精度。當(dāng)前大多數(shù)的國(guó)產(chǎn)工業(yè)工業(yè)機(jī)器人廠家都無(wú)法提供完整的出廠性能指標(biāo)信息，能給出的只有重復(fù)定位精度指標(biāo)，無(wú)法提供準(zhǔn)確性的相關(guān)信息。而且國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)精度一般都較高（0.05mm或更高），絕對(duì)定位精度卻往往都無(wú)法保證（5mm甚至更低）。

2.問(wèn)題分析

（1）缺乏量化工業(yè)機(jī)器人精度的測(cè)量手段，導(dǎo)致大部分性能指標(biāo)無(wú)法進(jìn)行定量的評(píng)估，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠家過(guò)去經(jīng)常采用頂尖對(duì)齊的方法來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)并測(cè)試精度，這種方法靠肉眼來(lái)判定誤差大小，無(wú)法量化，所以不能保證精度。有的廠家引入了拉線測(cè)量手段嘗試定量的分析工業(yè)機(jī)器人性能，但該方法也存在諸多限制，比如拉線的長(zhǎng)度會(huì)限制測(cè)試空間的大小，拉線的存在會(huì)降低工業(yè)機(jī)器人位姿可達(dá)性，而且拉線本身及附屬機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力變形都會(huì)影響測(cè)量精度，并不是一種完美的測(cè)量方案;行業(yè)內(nèi)還嘗試過(guò)其它比如影像測(cè)量等手段，但受限于精度或契合特性，始終無(wú)法得到滿意的結(jié)果。

（2）沒(méi)有全面補(bǔ)償工業(yè)機(jī)器人精度的系統(tǒng)性方法，導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的準(zhǔn)確性指標(biāo)不能得到保證，工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度主要受關(guān)節(jié)齒輪系的精度及編碼器的分辨率影響，而工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度會(huì)受到連桿長(zhǎng)度、連桿偏移、工具坐標(biāo)系TCP的定義偏差等工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型幾何參數(shù)以及機(jī)體的彈性變形、關(guān)節(jié)柔性、齒輪傳動(dòng)誤差及間隙等其他非幾何參數(shù)因素的影響，圖3為幾種常見(jiàn)誤差源。

重復(fù)性是由工業(yè)機(jī)器人本身的硬件素質(zhì)保證的，在成本允許情況下盡可能提高齒輪系及編碼器的精度，即可獲得較好的重復(fù)性精度;而準(zhǔn)確度是受多方面影響的，工業(yè)機(jī)器人零配件的加工誤差以及裝配誤差都會(huì)引起幾何參數(shù)誤差，而且?guī)缀螀?shù)引起的誤差代表90%工業(yè)機(jī)器人TCP位置誤差。如何補(bǔ)償幾何參數(shù)誤差，成為提高工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度的重中之重。

三、Leica工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)方案

面對(duì)用戶對(duì)全面有效的校準(zhǔn)檢測(cè)方案的需求，?？怂箍笛杆僮龀鲰憫?yīng)，深入工業(yè)機(jī)器人廠家及科研院所調(diào)研并分析，研發(fā)出專門應(yīng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及性能檢測(cè)需求的RoboDyn軟件系統(tǒng)，并搭配集團(tuán)旗下的拳頭產(chǎn)品LeicaAT960絕對(duì)跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，搭建形成一套完備的工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)方案，如圖4所示。

該方案主要包括Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀、RoboDyn精度校準(zhǔn)及性能檢測(cè)軟件、I/O控制器、T-mac測(cè)頭等組成部分，Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀+T-mac測(cè)頭，負(fù)責(zé)測(cè)量機(jī)器人法蘭末端的位置和姿態(tài)，并輸出帶有時(shí)間標(biāo)記的位置和姿態(tài)信息;RoboDyn軟件負(fù)責(zé)機(jī)器人模型的創(chuàng)建，生成測(cè)點(diǎn)和機(jī)器人程序，獲取跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，校準(zhǔn)機(jī)器人模型，并生成校準(zhǔn)結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告;IO控制器實(shí)現(xiàn)RoboDyn軟件、機(jī)器人以及跟蹤儀之間的同步，確保整個(gè)過(guò)程的有序、自動(dòng)完成，各組成部分如圖5所示。

1.Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀+Tmac測(cè)量系統(tǒng)

?？怂箍灯煜碌腖eica AT960絕對(duì)跟蹤儀，是第一款真正意義上實(shí)現(xiàn)6自由度動(dòng)態(tài)測(cè)量的便攜式激光測(cè)量系統(tǒng)，集絕對(duì)便攜、絕對(duì)速度、絕對(duì)精度等特性于一身;Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀的測(cè)量頻率高達(dá)3000Hz，可實(shí)現(xiàn)1000點(diǎn)/秒的數(shù)據(jù)輸出，典型測(cè)量精度高達(dá)7.5μm+3μm/m，完全滿足工業(yè)機(jī)器人的精度指標(biāo)要求。

搭配T-mac測(cè)頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置和姿態(tài)的動(dòng)態(tài)跟蹤及高精度測(cè)量，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人位置精度和姿態(tài)精度的監(jiān)控和測(cè)量，而且跟蹤儀內(nèi)置毫秒級(jí)的時(shí)鐘，可以進(jìn)行時(shí)間維度的測(cè)量分析，完美契合工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)的測(cè)量需求。繼汽車行業(yè)、機(jī)加工行業(yè)、航空航天等行業(yè)之后，Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀必將在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)大放異彩。

2.RoboDyn精度校準(zhǔn)及性能檢測(cè)軟件

RoboDyn是?？怂箍导瘓F(tuán)旗下專業(yè)的測(cè)量軟件開發(fā)者New River Kinematics公司專門為工業(yè)機(jī)器人行業(yè)開發(fā)的軟件系統(tǒng)，主要分為校準(zhǔn)和檢測(cè)兩個(gè)模塊：

（1）校準(zhǔn)模塊，根據(jù)機(jī)器人的幾何參數(shù)信息創(chuàng)建DH參數(shù)表，進(jìn)而建立機(jī)器人數(shù)字化理論模型，利用跟蹤儀測(cè)量得到的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算優(yōu)化，對(duì)齊測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系，解算出工具的位置姿態(tài)偏差，得到優(yōu)化后的機(jī)器人模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人DH模型（連桿參數(shù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角）以及減速比、耦合比的修正，提高工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度，操作整個(gè)流程如圖6所示。

（2）檢測(cè)模塊：依據(jù)GB/T 12642即ISO 9283標(biāo)準(zhǔn)要求，幫助用戶完成對(duì)工業(yè)機(jī)器人各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試。其中得益于Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀高速動(dòng)態(tài)跟蹤的特性、毫秒級(jí)的測(cè)量時(shí)鐘頻率以及6Dof（Leica T-mac）動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，位置穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量、軌跡準(zhǔn)確度和軌跡重復(fù)性、重復(fù)定向軌跡準(zhǔn)確度、拐角偏差、軌跡速度特性、最小定位時(shí)間、擺動(dòng)偏差等測(cè)試項(xiàng)目才能得以實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)模塊操作流程如圖7所示。

Robodyn軟件根據(jù)工作空間、設(shè)備位置、測(cè)試項(xiàng)目等信息進(jìn)行綜合考慮，內(nèi)置后處理程序根據(jù)機(jī)器人控制器類型自動(dòng)生成機(jī)器人能識(shí)別的指令程序，下載到控制器后可直接運(yùn)行，無(wú)需進(jìn)行繁雜的位置示教和編程。而且RoboDyn軟件與跟蹤儀、機(jī)器人之間使用IO信號(hào)通訊實(shí)現(xiàn)同步，一鍵開始測(cè)量之后，校準(zhǔn)及性能測(cè)試的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析過(guò)程均可自動(dòng)完成。

四.應(yīng)用案例

某機(jī)器人廠XXX型號(hào)6軸機(jī)器人精度校準(zhǔn)及性能測(cè)試的過(guò)程及結(jié)果報(bào)告。

1.機(jī)器人校準(zhǔn)

基于現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤儀和機(jī)器人的布局（圖8），在RoboDyn軟件內(nèi)創(chuàng)建好虛擬的工作環(huán)境，本系統(tǒng)可支持6軸機(jī)器人全部24個(gè)DH參數(shù)全的校準(zhǔn)，也可根據(jù)實(shí)際機(jī)器人控制系統(tǒng)所支持的標(biāo)定參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)測(cè)量與軟件分析之后，機(jī)器人的DH參數(shù)、減速比、耦合比以及校準(zhǔn)后測(cè)機(jī)器人精度結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)通過(guò)校準(zhǔn)，理論上機(jī)器人的平均位置精度可以由1mm提升到0.1mm，平均姿態(tài)精度也由校準(zhǔn)之前的0.3°提升到0.03°。

2.機(jī)器人性能測(cè)試

定義測(cè)試空間并選擇測(cè)試截面，RoboDyn軟件會(huì)根據(jù)GB/T 12642標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)生成所有的測(cè)試點(diǎn)位（圖10），并根據(jù)所選測(cè)試項(xiàng)目和循環(huán)次數(shù)生成機(jī)器人程序，測(cè)試完畢后，會(huì)自動(dòng)出具測(cè)試結(jié)果的報(bào)告和數(shù)據(jù)圖標(biāo)，如圖11所示。

五.結(jié)語(yǔ)

上述機(jī)器人校準(zhǔn)及性能測(cè)試方案，已經(jīng)在串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到了充分的使用和驗(yàn)證，獲得了一致好評(píng)，數(shù)十家工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠家、科研院所、評(píng)定檢測(cè)機(jī)構(gòu)都選擇了該方案去解決他們的問(wèn)題。該方案完美的詮釋了?？怂箍抵圃熘悄苋壳案兄?、解析和行動(dòng)”，Leica AT960絕對(duì)跟蹤儀+T-mac負(fù)責(zé)感知，精確采集所需數(shù)據(jù)，洞察機(jī)器人的誤差信息，RoboDyn軟件負(fù)責(zé)解析，分析處理采集到數(shù)據(jù)，將機(jī)器人的性能信息完整的呈現(xiàn)出來(lái)，并根據(jù)誤差推算出需要補(bǔ)償?shù)膮?shù)，指導(dǎo)機(jī)器人精度補(bǔ)償?shù)男袆?dòng)，提升機(jī)器人的品質(zhì)，真正形成了一個(gè)感知、解析和行動(dòng)的閉環(huán)，?？怂箍抵Α吨袊?guó)制造2025》。