一種基（jī）於位姿反饋的工業機器人定位（wèi）補償（cháng）方法-機器人-數控機床市場網

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一種基於位姿反饋的工業機器人定位補償方法

2017-6-6 來源：溫州職業技術學院作（zuò）者：何慶稀，遊震洲，孔向東

摘要:為了提高（gāo）工業機器人的絕對定位精度,提出了一種基於末端位姿閉環反饋的機器（qì）人精度補償方法.該方法通過激光跟蹤儀測量實時跟蹤（zōng）機器人末端靶標點的位置來（lái）監測機器人末端的（de）位姿,並通過（guò）對靶標點的實際位置和（hé）理論位置進行匹配獲得機器人末端的位姿偏差.工業機器人係統與激光跟蹤測量係（xì）統通（tōng）過局域網進行數據（jù）通信,並（bìng）根據位姿偏差數據對機器人末端的位姿進行修正.最後通過實驗對基於末端位姿閉環反饋的機器人精度補償（cháng）方法進行（háng）驗證,實驗表明,經過位姿閉環（huán）反（fǎn）饋補償後機器人末端（duān）位置誤差最大幅度（dù）可以降低到０．０５mm,姿（zī）態誤差最大（dà）幅度可（kě）以降低到０.０１２°.

關鍵詞:工業機器人;絕對定位（wèi）精度;位姿閉環反饋（kuì）;激光跟蹤儀

０.引言

工業（yè）機器人（rén）具有高度柔性、通用性和易操作的特性（xìng）,廣泛應用於汽車、船舶、航空（kōng）等工業生產領域,特別是因其（qí）具有較高（gāo）的重複定位精度而（ér）廣泛應用於焊接、噴塗、搬運等工作中.相對於其較高的重複定位精度,機器人絕對定位精（jīng）度較低[１].在工業應用中,影響機器人絕對定位精度的因（yīn）素很多,主要可以分為兩大因素[２]:一是機器人運動（dòng）學模型誤差,包括連杆長度誤差、連杆距離誤（wù）差;二是機器人（rén）動（dòng）力學模型誤差,主要包括機器（qì）人關節傳遞（dì）誤差、齒輪傳動誤差、運動摩擦等.目前提（tí）高機器人（rén）絕對（duì）定位精度的方法主要有兩種,一種是對機器人的運動學模型參數進行重新標定.基於運（yùn）動學模型（xíng）的參數標（biāo）定主要包括運動學模型建模、測量、參數識別（bié）和誤差補償四個部分[３]。

Veitschegger等[４Ｇ５]在DＧH模型[６]的基礎（chǔ）上提出了（le）MDＧH模型（xíng）,揭示了機器人連杆參數的微小變化和機器人末端位姿變化之間（jiān）的線性關係.國內基於（yú）模型（xíng）的參數標定方法普遍是在建立DＧH運（yùn）動學模型的基礎上（shàng）,識別出機器人的幾何參數並進行誤差補償[７Ｇ９].機器人（rén）標定技術不僅（jǐn）需要深入研究複雜的機器人正逆（nì）運動學模（mó）型和參（cān）數識別算（suàn）法,而且存在兩方麵的（de）顯著局限,一是補償（cháng）後定位誤（wù）差為０．２mm,精（jīng）度幾乎沒有提升空間,二是並非（fēi）對測（cè）量空間內所（suǒ）有點均能實現（xiàn）有效補償（cháng）.另一（yī）種提高機器（qì）人定位精度的方法是,在工業機器人末端執行器上添加反（fǎn）饋係統如（rú）光學測量係統[１０]、視覺（jiào）測量係統（tǒng）[１１]和力檢測係統[１２]等.Wang等[１３]使用激（jī）光跟蹤儀（yí）實時（shí）補償工業機器人（rén）末端三（sān）軸動力頭的運動誤差,但為了降（jiàng）低係統複雜性與成（chéng）本,該（gāi）方法隻使用在三自由（yóu）度的機器（qì）人上.Vincze等[１４]提出了一種采用激光跟蹤儀與視覺係（xì）統實時測量機器人位姿的方法,其中機器人的位置信（xìn）息（xī）由激光跟蹤儀（yí）獲取,機器人的姿態由激（jī）光跟蹤儀與視覺（jiào）係統共同獲（huò）取.為了提（tí）高機（jī）器人（rén）的定位精度,本文提出一種基於工業機器人末端位置和姿態閉環反饋（kuì）的定位補償方法.

１.基於位（wèi）姿反饋的精度補償（cháng）原（yuán）理

１.１係（xì）統組成與集成

基於末端位姿反（fǎn）饋的機器人（rén）精度補償係統主要包（bāo）括工（gōng）業機器人和激光跟蹤測量係統兩個部分.工業機器人作（zuò）為執行主體,主要是實現對末端執行器或工件的夾持和定位.末端執行（háng）器或工件通過法蘭盤（pán）固（gù）定安裝在工業機器人的末端法蘭上,與工業機器人構成一個整體.機器人通過調整末端的位姿來實現末端執行器或工件（jiàn）的定位（wèi）.激光跟（gēn）蹤測量係統用於（yú）實時地測（cè）量機器人末端執行器或工件的位置和姿態.根據剛體的特性,隻需要在末（mò）端執行器或（huò）工件上布置三個以上不在一條（tiáo）直線上的靶標點,就可以實現對位置和姿態（tài）的（de）測量.對此,開發了專用的測量軟件,可以通過比較靶標點（diǎn）的設計理論值和激光跟蹤儀的實際測量值,計算末端執行器或工件的位姿偏差.實際上,激（jī）光（guāng）跟（gēn）蹤儀與工業機器人之間構成了一個基於末端位（wèi）姿的閉環反饋係統,激光跟蹤儀作（zuò）為機器人的外（wài）置傳感器,實（shí）時監測並返回機器人末端的位姿誤差(圖１).

圖１位姿反饋原理圖

工業機器人和激光跟蹤儀測量係統通過OPC服務器進行數據通信,如圖２所示.這些數（shù）據包（bāo）括位姿偏差數據、機器人坐標係數據（jù）等.具體而言,測量軟件驅動（dòng）激光跟蹤儀完成對靶標點的自動

圖２係（xì）統集成

蘭坐標（biāo）係數據來計算機器人的位姿偏差,並將偏差數據寫入OPC服務器.機器人在完成定位後需要（yào）往OPC服務器中寫入當前（qián）機器人法蘭坐標係,並讀取來自測量軟件的位姿偏差數據.

１．２位姿補償方法（fǎ）

由於影響機器（qì）人本身的定位精度的因素很（hěn）多,包括運動學模（mó）型誤差、齒（chǐ）輪傳動誤差、關節（jiē）運動摩擦等動力學模型誤差和溫度、載荷等,機器人在位姿補償過程中也會帶（dài）入誤差.因此,基於位姿反饋的工業機器人定位精度補償方法的實現是一（yī）個逐漸逼近理論位姿的（de）過程,具體操作流程如下:(１)根據 CAD 模型,確定（dìng）機器人（rén）末端的理論工作位置和（hé）姿態,規劃機器人運動路徑,並編製（zhì）相應的機器人控製程（chéng）序.根據機器人末端的理論位姿,獲得機器人末端執行器（qì）或工件上靶標點的理論坐標.

(２)運行機器人控製程序,實現機器人在自身精度（dù）條件下的初定位.(３)機器人完成定位後,激光跟蹤儀（yí）測量（liàng）靶標點的實際坐標.通過與其理論坐標進行匹配,計算當前機器人（rén）末端執行器或工（gōng）件的位姿偏差.

(４)進行姿態偏差評判,若位姿偏差滿足工藝要求,流（liú）程跳轉執行(６);若位（wèi）姿偏差超出工藝要求,則需（xū）要對機器人（rén）的位姿進行修正（zhèng）,繼續執行(４).(５)通過工業局域網絡,激（jī）光跟（gēn）蹤儀將位姿偏差數據傳輸給工業機（jī）器人控製係統.工（gōng）業機（jī）器人根據位姿偏差數據對機器人末端的位姿進行調整機器人調整完成後,流程返回(３).(６)機器人（rén）定位結束.

２.機器人末端位姿誤差評價

２．１機（jī）器人位姿（zī）誤差描述

機器人位姿誤差包括機器人末端在機器人坐標係下的位置偏差和姿態偏差.末端執行（háng）器或工件通過法蘭固定安（ān）裝在機器人末端後,與機器（qì）人法（fǎ）蘭構成一個整體.因此,機器人（rén）末端執行器或工件的位姿誤差問題可以轉換為機器人末端法蘭的位姿誤差問題.機器人位姿反饋補償流程如圖３所示.

２．１．１　機器人末端位置誤差

機器人末端（duān）的位置誤差表示機（jī）器人末端的實際位置和理論位置之間的差值,即

式（shì）中,T 和T０分（fèn）別為機器人末端的（de）實際位置和理（lǐ）論位置.

圖３位姿（zī）反饋（kuì）補償流程

２．１．２　機器（qì）人末（mò）端姿態誤差

機器人末端姿態誤（wù）差用（yòng）四元數表示:

２．２位姿誤差評（píng）價算法

一個剛體的位置和姿態可以通過不共線的三個點的位置（zhì）來確定.工件通過法蘭安裝在機器人末端後（hòu）,可將工件與機器（qì）人末端看作是一個剛體.在工件上布置（zhì）三個（gè）以上的靶（bǎ）標點,通過這些靶標點的位置就可以確定當前機器人末端的實際位姿.進一步通過比較靶標點的理論值和實（shí）際值,運用剛（gāng）性匹配算法可以得到機器人末端的位姿偏差（chà）.假設靶標點在機器人坐標係 W 下的理論位置為WPai,實際測量值為WPbi.首先,需要將靶標點（diǎn）的理論值和測量值都轉換到（dào）工業機器人的工具（jù）坐標係(與（yǔ）機器人末端法蘭（lán）坐標係F 重合)下:文3根據剛性匹配原理,靶標點的理論坐標和實

３.實驗

本文通過實驗對基於位姿（zī）閉環反饋的機器人定位（wèi）精度和重複定位精（jīng）度（dù）進行了驗證.實驗中,工業機器人（rén）采用庫卡公司（sī）的重載（zǎi）機器人KR３６０L２８０Ｇ２(最大載荷２８００N),標稱重複定位精度為０．０８mm.測量設（shè）備采用徠卡公司的激光跟蹤儀ATＧ９０１LR.該儀器（qì）在全量程範圍內(水平方向３６０°,垂直方向正負４５°,最（zuì）大測量距離８０m)對單點的（de）測量不確定度為基礎值（zhí）１５μm與增量值(每米增（zēng）量（liàng）值為６μm)之和.在機器人（rén）末端安裝三個靶標點作（zuò）為位姿檢測點.

為了對機器人在經過位姿閉環（huán）反饋補償前後的末端位姿精度和重複定位精度進行比較,在整個機器人的作業空間內隨機選（xuǎn）擇了（le）若幹位（wèi）姿作為理論參考位姿.整個實驗過程可以按如下步（bù）驟進行:首先,通過機（jī）器人運動（dòng）程序驅動機器人自行運動到目標（biāo）位姿.在機器人定位完成後,通過激光跟蹤儀測量末端靶標（biāo）點的坐標,來計算當前的位姿偏差.接著,運用本文提出的基於（yú）位姿閉環反饋的位姿精（jīng）度補（bǔ）償方法對機器人的末端進行補償（cháng）,然後記錄補償以後的（de）機器人位姿誤差.最後對補償前後機器人（rén）的定位精度進行（háng）比較.以其中某個參考位姿的補償過程為例進行說明,圖（tú）４記錄了整（zhěng）個位姿補償過（guò）程中機器（qì）人末端位姿（zī）偏差的縮減情況.從圖４可以看出,在經過僅僅三次位姿誤差補償後,機器人的末端（duān）位姿便得到了明（míng）顯的（de）提高,其中位置誤差從１．４ mm 減少到０．０８１mm,角度誤差（chà）從０．７１２°減少到０．０１３°.顯然,基於位姿閉環反饋的機器人末端位姿（zī）補償方法（fǎ）具（jù）有很好的收斂性和較高的位姿補償效率（lǜ）.

圖４機器人位姿補（bǔ）償過程

實驗中,為了獲得經（jīng）過位姿閉環反饋補償（cháng）後的機器人的定位精度和重複定（dìng）位精度,對於每一個參考位（wèi）姿,重複多次從同一個方向對機器（qì）人的位姿進行補償和（hé）定位,記錄每次機器人（rén）最終實際（jì）定位位姿與參考位姿的（de）偏（piān）差值.然後計算位姿偏差的均值（zhí）作為位姿閉環（huán）反饋係統的定（dìng）位精度,同時計算位姿偏差的標準差作為位姿閉環反饋係統（tǒng）的重複定（dìng）位精度.最後,對（duì）工業機器（qì）人在位姿反饋補償前後位姿定位精度和重複定位精度進行比（bǐ）較.圖５是工業機器人補償前後的位姿定位精度對比圖,圖中（zhōng）橫坐標為（wéi）對應的參考位姿編號.從圖中可以非常明顯地看出,經過位姿閉環反饋補償後,工業機器人（rén）的（de）末端位姿（zī）精度得到了明顯的提高.總（zǒng）體來說,經過補償後工業機器人的末端位置誤（wù）差可降（jiàng）低到０．０９mm以下,最大（dà）幅度可降低（dī）到０．０５mm,姿態誤差降低０．０１５°以下,最大幅度可降低到（dào）０．０１２°.相比於補償前,機器人末端位置誤差最大幅度降低９５％,姿態誤差降（jiàng）低（dī）９２％.圖６是工業機器人補償前後的位（wèi）姿的重複定位精度對比圖,圖中橫坐標為對應的（de）參考（kǎo）位姿

圖５機器人位姿（zī）定位精度（dù）比較

圖６機器人位姿（zī）重複定位精度比較（jiào）

編號.從圖中可以看出,經過位姿補償（cháng）後,工業機器人的重複定（dìng）位精度也有（yǒu）了（le）很大（dà）的提高,其中（zhōng）位置（zhì）誤（wù）差從補（bǔ）償之前的０．０８~０．１４mm降低（dī）到了０．０２~０．０５mm,姿態誤差從補償之前的０．０１５°~０．０３°降低到了０．００３°~０．００５°.顯然,實（shí）驗結果證明,本文提出的基於位姿閉環（huán）反饋的工業機器人定（dìng）位補償方法可以同時（shí）顯著提高機器人的絕對定位（wèi）精度和重複定位精度.

４.結論

本文提出了（le）一種（zhǒng）基（jī）於末端位置和姿（zī）態閉環反饋的工業機器人絕對定位補（bǔ）償方法.該方法使（shǐ）用（yòng）激光跟蹤係統來測量機器人末端上的靶標（biāo）點來獲得機器（qì）人的當前位姿,並通過與靶標點（diǎn）的理論位置匹配來計（jì）算機器人末端位姿（zī）偏差.工業機器人則根據位姿偏差數據對末端的位姿進行修正.激光跟（gēn）蹤測量係統（tǒng）與機器人係統通（tōng）過（guò）工業（yè）局域網和OPC服務進行數據通信.最後通過實驗（yàn）驗證（zhèng）了基於位姿閉環反饋（kuì）的機器人絕對定位補償方法的有效（xiào）性,實驗結果證（zhèng）明該（gāi）方法可以顯著降低工業（yè）機器人的定位誤差.

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