梁睿 李冬英 李斌 王蒙寬

摘?要：當前工業(yè)機器人重復(fù)定位精度高，一般都能達到0.01mm以下，絕對定位誤差精度較低，比重復(fù)定位精度高了1-2個數(shù)量級，成為了制約工業(yè)機器人發(fā)展應(yīng)用的主要因素，首先利用矩陣法建立工業(yè)機器人誤差模型，再利用Monte Carlo數(shù)值仿真法，運用控制變量法研究各連桿參數(shù)誤差對機器人末端位置的影響，仿真結(jié)果表明，前三關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差和連桿扭角誤差對末端位置誤差起到主導(dǎo)作用，其余參數(shù)誤差可以忽略不計。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;絕對定位精度;誤差模型;矩陣法;誤差分析

影響工業(yè)機器人絕對定位精度的因素種類繁多，但運動學(xué)參數(shù)誤差因素對絕對定位精度的影響最大，占80%以上[1，2]。因此要提高絕對定位精度，首先需要對運動學(xué)參數(shù)誤差進行誤差分析，從而針對性優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)，提高絕對定位精度[3]。本文以ROKAE公司的XB4型6R工業(yè)機器人為研究對象，研究運動學(xué)參數(shù)誤差對機器人絕對定位精度的影響。采用Denavit-Hartenberg法建立機器人正運動學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過矩陣法推導(dǎo)并建立機器人連桿參數(shù)誤差模型?；谠撃Ｐ?，使用Monte Carlo數(shù)值進行仿真，研究各連桿參數(shù)誤差對對機器人絕對定位精度的影響。

1 建立誤差模型

本文研究對象為六自由度工業(yè)機器人如圖1所示，運用DH法建立的模型坐標系如圖2所示。

DH建模法的具體理論限于篇幅不詳細闡述，僅列出其關(guān)鍵要素，根據(jù)DH法建立起相鄰關(guān)節(jié)坐標系的變化矩陣：

由此得到末端位姿矩陣TN：

根據(jù)圖2建立的連桿坐標系，結(jié)合機器人本體結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到DH連桿參數(shù)表如下所示

分別用AN和AR表示名義變換矩陣和實際變換矩陣：

其中D表示基于基坐標系的末端執(zhí)行器微分運動列矢量，Di表示基于第i關(guān)節(jié)坐標系的末端微分運動列矢量，該式即為機器人運動誤差傳遞模型。

2 機器人誤差參數(shù)仿真分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式（11）誤差模型使用matlab進行分析，將得到的末端位置誤差運用Monte Carlo法分別在各誤差參數(shù)獨立作用與各誤差參數(shù)共同作用進行仿真，統(tǒng)計樣本為10000次。在進行誤差源單獨作用仿真時，將所有的連桿參數(shù)誤差統(tǒng)一設(shè)置為0.001，計算單個誤差占總誤差的百分比，將其定義為獨立作用下的貢獻指數(shù)，結(jié)果為圖3所示。在進行誤差源共同作用下仿真時，先將所有誤差參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為0.001，求出所有參數(shù)共同作用下的誤差，再將目標誤差參數(shù)的誤差值設(shè)為0，其余不變，計算去除單獨誤差參數(shù)后的誤差，計算前后誤差的差值，將每個參數(shù)的誤差相加得到總誤差，計算單個誤差占總誤差的百分比，將其定義為共同作用下的貢獻指數(shù)，結(jié)果為圖4所示。

由圖3、圖4可知，各參數(shù)獨立作用和共同作用下，連桿長度和連桿偏距的誤差均遠小于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和連桿扭角，對末端位置的影響可以忽略不計;一二三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角、扭角對末端誤差影響明顯大于四五關(guān)節(jié)。

3 結(jié)語

本文以6R工業(yè)機器人為研究對象，基于矩陣法推導(dǎo)出串聯(lián)機器人誤差參數(shù)模型，運用Monte Carlo法分析了獨立作用下和共同作用下各類誤差參數(shù)對末端位置誤差的影響，仿真結(jié)果表明，長度類參數(shù)和后三關(guān)節(jié)角度類參數(shù)對末端位置影響非常有限，一般可忽略不計。要提高絕對定位精度，重點要提高前三關(guān)節(jié)角度參數(shù)精度。

參考文獻：

[1]王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學(xué)報，2014，50（09）：1-13.

[2]葉聲華，王一，任永杰，李定坤.基于激光跟蹤儀的機器人運動學(xué)參數(shù)標定方法[J].天津大學(xué)學(xué)報，2007（02）：202-205.

[3]唐堯，張恩政，陳本永，陳剛，劉翠蘋.基于運動學(xué)分析的工業(yè)機器人軌跡精度補償方法[J].儀器儀表學(xué)報，2020，41（03）：175-183.

[4]喻敏.工業(yè)機器人精度評估與誤差補償研究[D].南京航空航天大學(xué)，2015.

[5]陳鵬.基于改進四階矩的機器人運動可靠性評估方法研究[D].河北工程大學(xué)，2020.

[6]徐昌軍.基于MDH模型的工業(yè)機器人運動學(xué)標定技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

基金項目：邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項目（CX2019SY026）

作者簡介：梁睿（1992—?），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向：專用設(shè)備制造。