任瑜;张丰;郭志敏;宋增超;龚婷
【摘 要】研究了一种通用的工业机器人位姿检测方法.其基本原理是以激光跟踪仪测量固定在机器人末端的4个参考点来间接测量机器人的绝对位姿,并与指令位姿比较,实现机器人位姿准确度和位姿重复性检测;其中,参考点坐标及机座坐标系通过多姿态约束同步标定,并设计非线性标定算法.通过末端带有制孔执行器的KUKAKR210 R2700工业机器人的位姿检测实验表明:机器人的位置准确度为0.3 mm,位置重复性为0.06 mm,与标称指标相符,且工具中心点(TCP)坐标与直接测量的偏差小于0.015 mm,证明该检测方法的准确性可满足机器人位姿检测的需要,且无需特殊的机械工装,具有良好的通用性;采用基于多姿态约束的非线性标定方法,标定残差减小至0.35 mm,标定方法具有良好的鲁棒性,可有效地减小因机器人运动模型不准确引起的标定误差. 【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】家用水果榨汁机2018(039)005
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【总页数】7页(P615-621)
【关键词】计量学;位姿检测;工业机器人;准确度;重复性;激光跟踪仪
【作 者】任瑜;张丰;郭志敏;宋增超;龚婷
【作者单位】上海市计量测试技术研究院,上海201203;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072;上海市计量测试技术研究院,上海201203;上海市计量测试技术研究院,上海201203;上海市计量测试技术研究院,上海201203;上海飞机制造有限公司,上海200436
【正文语种】镂空雕花中 文
【中图分类】TB92
1 引 言
随着工业机器人在现代制造领域的应用不断深入，准确、规范、合理的工业机器人位姿检测变得尤为重要[1～3]。我国工业机器人位姿检测主要依据GB/T 12642—2013 《工业机器
人 性能规范及其试验方法》[4]开展。该标准中给出了机器人的位姿准确度、重复性等指标的定义及计算公式，并推荐了检测方法。但是，该标准未对机器人的位姿参数测量、坐标系标定等技术问题给出详细说明。
目前，激光跟踪仪等便携式坐标测量系统因具有测量自身与机器人机座坐标系的标定能力，可以测量机器人的绝对位姿[4]，成为工业机器人位姿检测的主要测量手段。其基本原理为：在机器人末端法兰上安装六维姿态测量附件，便携式坐标测量系统测量该附件，并配合专门的软件模块实现机器人位姿检测[5,6]。例如：Leica公司组合激光跟踪仪和T-cam相机，测量T-mac六维光电附件，实现绝对位姿测量；API公司开发的Smart TRACK六维活动靶标可主动测量相对姿态，配合激光跟踪仪实现绝对位姿测量。这些方法在工业机器人本体检测研究中得到了积极应用，但是对于带有末端执行器的工业机器人系统，T-mac、Smart TRACK等六维传感器需要针对不同的末端执行器设计专门的连接附件，增加了检测成本且通用性降低。此外，有关研究人员还通过直接测量机器人末端工具中心点(TCP)检测其位置精度[7,8]。同样，对于带有末端执行器的工业机器人系统，其TCP往往是虚拟的，难以直接测量，借助特殊工装复现则可能引入点位不重合误差，降低检测精度。因此，研究无需特殊工装的工业机器人位姿检测方法具有重要意义。
本文对一种通用的工业机器人位姿检测方法进行了研究。该方法以激光跟踪仪为标准器，以固定在机器人末端任意位置(非共线)的4个靶球代替专用的六维靶标(及连接附件)，跟踪仪测量4个参考点实现机器人绝对位姿的间接测量，可适用于空载或末端带有各类执行器的工业机器人系统，通用性强；该方法通过多位姿约束标定机器人的机座坐标系及末端参考点坐标，并设计鲁棒性好的非线性标定算法代替经典的封闭解法，有效地减小因机器人运动模型不准确引起的标定误差。
2 位姿检测方法
工业机器人的位姿是指机器人末端执行器在指定坐标系中的位置坐标(X,Y,Z)和姿态角(a,b,c)。操作前，通过示教编程、人工数据输入或离线编程的方式对其进行设定，称为指令位姿；操作时，机器人在自动方式下响应指令位姿，此时实际达到的位姿称为实到位姿。受内部控制分辨率、坐标转换误差、关节的实际结构尺寸与所用模型尺寸不一致、机械缺陷等影响，不仅实到位姿与指令位姿间存在偏差，而且机器人重复接近指令位姿的一系列实到位姿也不一致。因此，位姿准确度和重复性是机器人位姿检测的主要内容。
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2.1 位姿准确度及位姿重复性
文献[4]明确给出了位姿准确度及位姿重复性的定义(见图1)和计算公式。
图1 机器人位姿准确度和重复性
工业机器人的位姿准确度(AP)表示指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时的实到位姿平均值之间的偏差，包括位置准确度(APP)和姿态准确度(APu)。
(1)
(2)
式中：,,是对同一位姿重复响应n次的实到位置的平均值；Xc,Yc,Zc是指令位姿的坐标；u=a,b,c;,,是对同一位姿重复响应n次所得的姿态角的平均值；ac,bc,cc是指令位姿的姿态角。
工业机器人的位姿重复性RP表示对同一指令位姿从同一方向重复响应n次后实到位姿的一致程度，包括位置重复性RPL和姿态重复性RPu。
(3)
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RPu=±3Su=±
(4)
双面发光字式中：,Xj,Yj,Zj是第j次实到位值；是平均值；SL是标准偏差；u=a,b,c；aj,bj,cj是第j次实到姿态；,,为平均值；Sa,Sb,Sc为标准偏差；j=1,2,…,n。
已知机器人的指令位姿和对应的一组实到位姿，即可由式(1)～式(4)计算工业机器人的位姿准确度和位姿重复性。需要强调的是，指令位姿可由工业机器人的控制器中读出，一般相对于机座坐标系；实到位姿则由激光跟踪仪等测量设备测量，测量数据在测量设备坐标系下获得。因此，如何获得机器人末端相对于机座坐标系的实到位姿是检测工业机器人的绝对位姿准确度和重复性的关键问题。
2.2 基于多参考点的位姿测量
目前，位姿测量主要采用间接方式测量，较为典型的方法是测量末端多个参考点实现位姿测量[5,9～11]，具体测量原理如图2所示。
图2 机器人位姿测量原理示意图
在几何意义上，工业机器人末端位姿表征机器人末端执行器的工具坐标系到指定坐标系(以机座坐标系为例)的转换关系，即对于执行器上任一点P=[x y z]T满足式(5)：
Pbase=RPtool+T
(5)
式中：Pbase表示点P在机座坐标系下坐标；Ptool表示点P在工具坐标系下坐标；R表示工具坐标系到机座坐标系的旋转矩阵，是姿态角a,b,c的函数，如式(6)所示：
