6R型工業(yè)機器人標定技術(shù)研究及算法實現(xiàn)

高小云

珠海格力智能裝備有限公司 廣東 珠海 519070

目前采用標定技術(shù)方法可有效提高工業(yè)機器人的位置姿態(tài)精度，降低對工業(yè)機器人本體的加工精度要求，同時也能減少機器人在執(zhí)行工作任務(wù)過程中對本身剛度的過度依賴。所以說標定技術(shù)的運用對提高工業(yè)機器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)能力、強化其運行自主性都具有現(xiàn)實意義。

一、6 R型工業(yè)機器人與標定技術(shù)方法概述

6 R型工業(yè)機器所具有的自由度為6(6軸，6點可轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié))，所有關(guān)節(jié)均為可轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中前3個關(guān)節(jié)Axis1、Axis2、Axis3主要控制機器人的末端手腕位置，另外后三個關(guān)節(jié)Axis4、Axis5、Axis6控制機器人末端手腕姿態(tài)。6 R型工業(yè)機器人擁有復(fù)雜的多剛體系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，在運動學(xué)分析過程中確保便于展開分析工作，專門在工業(yè)機器人的每個連桿上固定連接一個連桿坐標系，描述連桿坐標系之間的相對關(guān)系，如此可推導(dǎo)出工業(yè)機器人末端連桿的位置與姿態(tài)，并建立連桿坐標系的相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

在6 R型工業(yè)機器人上可利用標定方法提高其末端定位精度，不許更改機器人本體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，圍繞其6軸轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)建立運動學(xué)模型，并對模型相關(guān)細節(jié)作出補償修正，如此可有效減少人力、物力與財力輸出，同時降低工業(yè)機器人因精度不足所導(dǎo)致的損壞廢棄風(fēng)險問題。在采用標定技術(shù)過程中，基于規(guī)定時間間隔對機器人系統(tǒng)進行重新標定，有效彌補元件磨損，同時通過改變元件尺寸變化與剛度改變工業(yè)機器人定位精度，同時滿足加工精度要求，如此更能提高工業(yè)機器人的使用壽命[1]。

二、6 R型工業(yè)機器人的標定過程、仿真實驗與算法驗證

(1)機器人本體的參數(shù)標定驗證過程分析。針對機器人本體的參數(shù)標定驗證過程進行分析，假設(shè)機器人的初始位姿為θ，且其末端位置坐標為p1，假定工業(yè)機器人中的每個關(guān)節(jié)都存在一定的角度偏差或長度偏差，且角度偏差設(shè)定為0.01°，長度偏差設(shè)定為0.1 mm，此時可計算工業(yè)機器人的末端位置坐標p1，最終獲得在該位姿下工業(yè)機器人基于不同關(guān)節(jié)不同類型的位姿偏差，包括偏差所引起的位置準確度變化。一般來說，在不同位姿下，不同類型參數(shù)的6R型工業(yè)機器人其各項指標參數(shù)都存在偏差，且對機器人位置的準確度也有不同影響。此時可預(yù)測機器人末端的定位精度對角度類偏差相對敏感。為證明這一假設(shè)，需要對多個處于不同初始位姿的機器人進行仿真實驗，驗證上述假設(shè)是正確的。在驗證假設(shè)過程中，對存在角度偏差的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)進行檢查，檢查其偏差關(guān)鍵是否距離機器人基座過近，如果越近證明機器人位姿的準確度越大，同時更說明機器人末端定位精度對偏差敏感度越高[2]。

(2)機器人的標定仿真實驗過程分析。以6R型工業(yè)機器人的天窗飛行滾邊工具標定仿真實驗過程為例，其實驗過程主要包括4道工序。

第一道工序，明確包邊角度變化過程，可設(shè)置為35°、80°、135°和180°。

第二道工序，在滾邊之前對每一道工序的滾輪進行設(shè)置，建立工具坐標系，明確工具TCP位置設(shè)定。

第三道工序，在仿真標定實驗環(huán)境下測量天窗飛行滾邊中每一道工序滾輪工具的坐標系位姿數(shù)據(jù)。

第四道工序，發(fā)現(xiàn)實際模型中所存在的加工與安裝誤差，分析實際工具坐標系位姿數(shù)據(jù)與仿真環(huán)境，并測量其實際位姿數(shù)據(jù)與理論位姿數(shù)據(jù)是否一致。如果不一致需要利用三坐標測量儀對已經(jīng)安裝好的滾邊工具金襲警參數(shù)標定調(diào)整，再次進行機器人位置標定。

如上述4道工序修正6R工業(yè)機器人天窗飛行滾邊工具后可獲得最終的標定仿真實驗數(shù)據(jù)[3]。

(3)機器人本體結(jié)構(gòu)參數(shù)的標定算法驗證過程分析。最后要對6 R工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行標定算法那驗證，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)角度類偏差，并對工業(yè)機器人的末端定位精度進行驗證。在驗證計算過程中需要給定待標定工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)名義值與偏差值數(shù)據(jù)內(nèi)容。具體將就是要計算工業(yè)機器人在名義參數(shù)下的理論位置坐標pb，包括在參數(shù)偏差影響下的實際位置坐標p0，最后可得出工業(yè)機器人的實際位置偏差應(yīng)該為:

dp=pb-p0

與此同時，需要結(jié)合工業(yè)機器人的雅克比矩陣，再次深入展開正向運算與逆向運算，分別通過兩種計算獲得機器人的名義位置誤差Δp:

Δp=HpΔξ

上述算式中結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差為Δξ，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可取的具體計算結(jié)果，假偏差源的給定偏差為0.1000，那么代入上述公式可計算出它的計算偏差應(yīng)該為0.1001。從上述計算過程可以見得，如果利用工業(yè)機器人的雅克比矩陣可計算出名義位置誤差與實際誤差，且對比發(fā)現(xiàn)二者的誤差偏差相對較小，只有0.0001，這就證明通過雅克比矩陣所求解的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與給定偏差值基本保持一致，誤差可忽略，最終證明了6 R型工業(yè)機器人所建立的標定模型存在一定合理性，同時它的標定算法也具有一定可靠性[4]。

總結(jié)

通過本文中對6R型工業(yè)機器人以及對標定技術(shù)模型、假設(shè)以及模擬算法的研究可以證明在建立6R型工業(yè)機器人過程中需要首先構(gòu)建其本體結(jié)構(gòu)的參數(shù)標定誤差模型，主要基于它的首末端位姿精度評估原理將其結(jié)構(gòu)參數(shù)與角度類、長度類偏差體現(xiàn)出來，并對不同類型、不同位姿的工業(yè)機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)偏差敏感性數(shù)據(jù)進行分析，利用標定技術(shù)算法驗證所建立6R型工業(yè)機器人的標定模型合理性，最終驗證標定算法所驗證的假設(shè)成立，再次證明算法合理性與安全可靠性。綜上所述，該標定技術(shù)方法所構(gòu)建的是一種可避免拆除現(xiàn)有工業(yè)機器人末端的精細化標定方法，且標定技術(shù)中對平均標定誤差值管控嚴格，可保證6R型工業(yè)機器人的運行軌跡精度維持在5 mm以內(nèi)，滿足了工業(yè)機器人的生產(chǎn)操作精度要求。