工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速比標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)應(yīng)用不斷擴(kuò)大，產(chǎn)銷量連年創(chuàng)出新高

，工業(yè)機(jī)器人在離線復(fù)雜任務(wù)編程、高精度、集成化和柔性化等領(lǐng)域的研究不斷深入，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的定位精度也提出了更高的要求

。從結(jié)構(gòu)上來看，工業(yè)機(jī)器人主要由減速機(jī)、電機(jī)等高精度零部件組成，但由于上述零部件在制造過程中不可避免的帶來回程誤差、剛度誤差和電機(jī)編碼器的分辨誤差

，同時(shí)裝配不合理也會(huì)產(chǎn)生較大的安裝誤差，在傳動(dòng)過程中遠(yuǎn)不止上述幾類誤差，逐一排查異常復(fù)雜，工作量非常大，同時(shí)又存在諸多耦合因素，不利于企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用和研究，但考慮到這些誤差源最終都會(huì)綜合反映到減速比的變化中，故都可以歸結(jié)為減速比誤差。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)誤差的特點(diǎn)，本文提出了一種具有實(shí)踐價(jià)值的工業(yè)機(jī)器人標(biāo)定減速比方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)是因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人減速比在控制系統(tǒng)中調(diào)整較為方便，一般電控人員即可操作；工業(yè)機(jī)器人長(zhǎng)期運(yùn)行過程中出現(xiàn)新的傳動(dòng)誤差也可以直接通過校準(zhǔn)減速比來提高絕對(duì)定位精度，因此，對(duì)工業(yè)機(jī)器人減速比標(biāo)定的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

確診為CAP的患者入院后24 h內(nèi)進(jìn)行身體檢查，并評(píng)估CAP嚴(yán)重度。根據(jù)肺炎嚴(yán)重度指數(shù)（PSI）分為 PSI≥130 分組（91 例）及 PSI＜130 分組（25 例）；根據(jù) CURB評(píng)分[9]分為CURB≥3分組（160例）和CURB＜3分組（156例）。

1 工業(yè)機(jī)器人D-H模型

本文中采用的LR20機(jī)器人控制器應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)D-H模型，也是目前工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用最普遍的建模方式。為了減速比，針對(duì)典型的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究，確定其坐標(biāo)系及相關(guān)參數(shù)

：

(1)確定坐標(biāo)系

①

-1

軸：回轉(zhuǎn)軸線；

②

-1

軸：垂直兩連桿公垂線

-1

=

-1

→

；

通過分析上述減速比標(biāo)定原理，工業(yè)機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)減速比都可以采用上述測(cè)量方法開展實(shí)驗(yàn)研究，得到工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的真實(shí)減速比。

③ 軸：根據(jù)右手定則確定。

通過旋轉(zhuǎn)、平移、平移和旋轉(zhuǎn)的四步坐標(biāo)演變，可以將坐標(biāo)系{

}到達(dá)下一個(gè)坐標(biāo)系{

+1}，進(jìn)而確定相鄰坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。

(2)確定參數(shù)

①連桿扭角

：

-1

→

繞

的轉(zhuǎn)角；

在PPP項(xiàng)目中，當(dāng)建設(shè)項(xiàng)目的不同主體在確定股權(quán)比例之后，還要對(duì)負(fù)債水平進(jìn)行合理的確定。通常表現(xiàn)為股權(quán)比例高，債務(wù)比例就會(huì)低，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)多，因此，在對(duì)大規(guī)模的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行投資時(shí)，都會(huì)選擇較高的債本比例。

②連桿長(zhǎng)度

：

-1

→

沿

-1

的距離；

③關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

：

-1

→

繞

-1

的轉(zhuǎn)角變量；

以O(shè)點(diǎn)為任意轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)，

、

、

、

…是當(dāng)該軸旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人末端靶球繞O轉(zhuǎn)動(dòng)得到的n個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)。只要知道了其中兩個(gè)位置，就可以按照上述原理求出該關(guān)節(jié)的實(shí)際減速比。下面是減速比標(biāo)定的具體步驟：

9）住房建設(shè)部門資料。主要為風(fēng)景名勝區(qū)、自然文化遺產(chǎn)的名稱、面積，城市（縣城）和村鎮(zhèn)建設(shè)的統(tǒng)計(jì)范圍及相關(guān)成果資料，可作為重要地理要素的參考數(shù)據(jù)源。

2 工業(yè)機(jī)器人減速比標(biāo)定原理

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)來說，減速比是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移與工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的相應(yīng)角位移的比值，即各級(jí)減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)值相乘的結(jié)果

。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移是由工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制的，角度編碼器極高的分辨率和重復(fù)精度確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反饋角位移，最終通過示教器可以顯示出具體角度值

。在實(shí)際應(yīng)用過程中獲取工業(yè)機(jī)器人真實(shí)減速比較難，相關(guān)的影響因素也不可控，本文利用圓擬合的方法標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的減速比

，在360°范圍內(nèi)按照等角距的方式轉(zhuǎn)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，激光跟蹤儀記錄圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡上每個(gè)設(shè)置點(diǎn)的靶球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值，等角距反映的是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的名義轉(zhuǎn)角，即工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，相鄰兩點(diǎn)的靶球坐標(biāo)值可以擬合出同心圓弧，每段圓弧代表工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角位移，如圖1所示，利用該方法能夠得到工業(yè)機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的減速比。

④連桿偏置

：

-1

→

沿

-1

距離。

1、擬合關(guān)節(jié)實(shí)際角位移

。工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一圈，多處測(cè)量點(diǎn)可以擬合出一個(gè)同心圓，相鄰兩測(cè)量點(diǎn)之間的旋轉(zhuǎn)角度為關(guān)節(jié)實(shí)際角位移。結(jié)合工業(yè)機(jī)器人減速比測(cè)量原理，由余弦定理能夠得到該角位移數(shù)值，如下式所示：

采用MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，軟件開發(fā)語言為PB 8.0，運(yùn)行于Windows 2003操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)以門診醫(yī)師工作站(EMR)為開發(fā)平臺(tái)。

(1)

2012年，按照加快實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)相關(guān)要求，上海市水務(wù)局組織編制了 《上海市水資源管理系統(tǒng)實(shí)施方案》，啟動(dòng)了新一輪水資源管理系統(tǒng)建設(shè)，一是在已有水資源監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化完善信息采集，形成與實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度相適應(yīng)的水資源監(jiān)控能力；二是建立市區(qū)兩級(jí)水資源管理應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)支撐水資源定量管理和對(duì)“三條紅線”執(zhí)行情況進(jìn)行考核的能力。

1.3觀察指標(biāo)醫(yī)務(wù)人員治療后對(duì)所選患者展開3~6個(gè)月的追蹤隨訪,同時(shí)對(duì)90項(xiàng)癥狀自評(píng)量表、抑郁自我評(píng)估表、焦慮自我評(píng)估表等做相應(yīng)的評(píng)分。

2、計(jì)算關(guān)節(jié)電機(jī)理論角位移

。工業(yè)機(jī)器人電機(jī)的理論角位移是通過電機(jī)編碼器輸出，最終顯示在示教面板上。由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與編碼器旋轉(zhuǎn)角度相同，可以直接在控制軟件示教器上面能夠獲取理論角度。

3、標(biāo)定關(guān)節(jié)減速比

。旋轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，并記錄下其位置坐標(biāo)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的名義角度。按照下面的表達(dá)關(guān)系，可以得到實(shí)際的關(guān)節(jié)減速比

：

(2)

將單模透鏡光纖分別固定于三維精密調(diào)節(jié)平臺(tái)上,在微環(huán)腔的輸入輸出端進(jìn)行近似垂直光柵耦合,在實(shí)驗(yàn)過程中通過實(shí)時(shí)觀察CCD成像,不斷調(diào)節(jié)光纖位置,以達(dá)到最優(yōu)耦合。耦合信號(hào)通過光纖導(dǎo)出被光電探測(cè)器接收后由示波器顯示,最終得到微環(huán)諧振系統(tǒng)的透射譜線。

最后取關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度

的平均值為實(shí)際角位移，確保每個(gè)關(guān)節(jié)擬合出的實(shí)際角位移真實(shí)有效，排除相關(guān)偶然因素。

3 工業(yè)機(jī)器人減速比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

工業(yè)機(jī)器人減速比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用瑞士萊卡激光跟蹤儀測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端靶球位姿，它不僅可以測(cè)量單個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位姿，還能通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將多個(gè)測(cè)量點(diǎn)擬合出各類圖形輪廓，并顯示各位姿點(diǎn)信息。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為負(fù)載20kg的工業(yè)機(jī)器人，LR20型工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)1-關(guān)節(jié)4采用納博特斯克減速機(jī)，關(guān)節(jié)5和關(guān)節(jié)6采用蘇州綠的諧波減速機(jī)。各減速機(jī)的減速比見表1所示。

實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)的關(guān)節(jié)1-關(guān)節(jié)6的系統(tǒng)角度分別為0°，90°，0°，90°，90°，90°，數(shù)據(jù)測(cè)量采集的是安裝在工業(yè)機(jī)器人末端靶球位置。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人減速比測(cè)量原理，并且盡可能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)驗(yàn)過程中最大范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，同時(shí)考慮到靶球可能存在丟光的現(xiàn)象，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6測(cè)量點(diǎn)間隔設(shè)置為30°，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)5設(shè)置為20°。

圖2為L(zhǎng)R20工業(yè)機(jī)器人6個(gè)軸實(shí)驗(yàn)過程中捕捉到的瞬態(tài)。對(duì)工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)依次有序間隔旋轉(zhuǎn)，同步記錄工業(yè)機(jī)器人末端靶球的位置坐標(biāo)及關(guān)節(jié)編碼器顯示在示教器中的轉(zhuǎn)角。按照控制變量法的原則，實(shí)驗(yàn)需保證在滿速、空載狀態(tài)下運(yùn)行，不同位置點(diǎn)可以設(shè)置5s的停頓時(shí)間，等工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定下來后開始采集數(shù)據(jù)

。

4 工業(yè)機(jī)器人減速比誤差補(bǔ)償與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中減速比一般采用分?jǐn)?shù)形式表示，通過減速比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的為小數(shù)，取小數(shù)點(diǎn)后三位，結(jié)果對(duì)定位精度的影響可以忽略不計(jì)，將軟件計(jì)算的結(jié)果和上述示教器中的結(jié)果處理后得到真實(shí)減速比，如表1所示。從減速比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)測(cè)得到的減速比與理論值均存在一定偏差，并且偏差值各不相同，這是由于1、2、3和4關(guān)節(jié)僅使用了兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，并且減速器本身精度較高，因此整體減速比偏差幅度較??；5和6關(guān)節(jié)采用了多級(jí)減速，其中用到帶傳動(dòng)，并且部分減速齒輪加工誤差較大，因此關(guān)節(jié)的整體減速比偏差幅度較大。

為了驗(yàn)證標(biāo)定減速比前后對(duì)工業(yè)機(jī)器人精度的影響，隨機(jī)選取了20組目標(biāo)位姿，按照改進(jìn)的微分補(bǔ)償法進(jìn)行了誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)延用減速比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)備，利用離線編程的方式，工業(yè)機(jī)器人在滿載、滿速的狀態(tài)下運(yùn)行，記錄下理論位置，再通過激光跟蹤儀測(cè)量出實(shí)際位置，最后利用最小二乘法識(shí)別參數(shù)，分析20個(gè)理論值與激光跟蹤儀測(cè)量的實(shí)際值，對(duì)比標(biāo)定前與標(biāo)定后的效果，如圖4所示。減速比標(biāo)定后，工業(yè)機(jī)器人的定位精度得到顯著提高，位置精度最大提高了84%，平均定位精度能夠達(dá)到0.58mm。

5 結(jié)束語

本文研究工業(yè)機(jī)器人減速比標(biāo)定是以工業(yè)機(jī)器人作為對(duì)象，結(jié)合高精密激光跟蹤儀和相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)，開展的減速比誤差實(shí)驗(yàn)，通過分析減速比標(biāo)定測(cè)量原理，利用數(shù)據(jù)擬合的方式，分析關(guān)節(jié)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，最后標(biāo)定了關(guān)節(jié)電機(jī)減速比。最后驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，減速比標(biāo)定后，工業(yè)機(jī)器人的定位精度得到顯著提高，驗(yàn)證了測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)方案的可行性，對(duì)于企業(yè)應(yīng)用有著非常重要的意義。

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