胡明哲
遼寧省沈陽市信息工程學(xué)校,遼寧沈陽,110000
工業(yè)機(jī)器人本身屬于高功耗動(dòng)態(tài)應(yīng)用產(chǎn)品,對(duì)運(yùn)行功耗、性能以及定位精度方面的要求較高。同時(shí)隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用,對(duì)精準(zhǔn)的定位精度條件要求更高。為保證工業(yè)機(jī)器人高效率完成各項(xiàng)工作,高精度定位產(chǎn)品在工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)上成為追求較高的趨向。通常當(dāng)工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度產(chǎn)生偏差時(shí),意味著工業(yè)機(jī)器人精度數(shù)據(jù)的可靠性下降,此時(shí)需要借助各種設(shè)備產(chǎn)品或模型技術(shù)對(duì)定位精度進(jìn)行可靠性誤差補(bǔ)償。這一情況下,對(duì)工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)定尤為關(guān)鍵,成為本文重點(diǎn)的研究方向[1]。
工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)了智能制造高端裝配時(shí)代的快速到來,為工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前,工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化制造生產(chǎn)線等相關(guān)領(lǐng)域,而工業(yè)機(jī)器人自身的定位精度成為決定機(jī)器人能否正常投入生產(chǎn)線的主要性能參數(shù)。整體來看,盡管當(dāng)前工業(yè)市場(chǎng)上關(guān)于高精度定位產(chǎn)品數(shù)量類型在不斷增多,但實(shí)際上工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度標(biāo)準(zhǔn)條件與現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度尚未處于相對(duì)平衡的狀態(tài),即工業(yè)機(jī)器人定位精度條件仍然不足,且有著更高要求。文中引言部分首先提出針對(duì)工業(yè)機(jī)器人定位精度條件不足較多采用誤差補(bǔ)償?shù)姆绞絹碚{(diào)整定位精度,通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度的可靠性及其受影響因素等進(jìn)行重點(diǎn)分析,從而順利引出關(guān)于工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)精度標(biāo)定技術(shù)及其標(biāo)定系統(tǒng)的建構(gòu)分析,以建立機(jī)器人誤差模型的方式直觀展示工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位誤差及其調(diào)整思路[2]。
現(xiàn)階段,關(guān)于工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)精度問題成為一個(gè)重要的研究方向,具有較高的研究?jī)r(jià)值。如2021年,武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院的尹勇教授對(duì)關(guān)于“工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)精度問題研討”作出專題報(bào)告。其中,通過介紹工業(yè)機(jī)器人概念及其發(fā)展歷史,順利引出工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系、重復(fù)定位精度與絕對(duì)定位精度及其誤差問題來源等相關(guān)知識(shí)。同時(shí),從研究的意義來看,針對(duì)工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度的研究更加傾向于未來研究成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用以及工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展前景的預(yù)測(cè)分析,因而對(duì)機(jī)器人定位精度矯正原理及系統(tǒng)功能、應(yīng)用途徑方面的探究尤為重要。
某種程度上,工業(yè)機(jī)器人定位精度的偏差性與其可靠性屬于反作用關(guān)系,當(dāng)定位精度條件不足或偏差較大時(shí),機(jī)器人的可靠性明顯被削弱。其中,當(dāng)工業(yè)機(jī)器人存在關(guān)節(jié)間隙、零部件周長(zhǎng)加工偏差或者零件安裝誤差等不確定變零因素時(shí),工業(yè)機(jī)器人終端執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行位置距離目標(biāo)執(zhí)行位置產(chǎn)生不同程度的距離偏差,此時(shí)表明機(jī)器人定位精度明顯下降,機(jī)器人執(zhí)行性能被削弱。因而,工業(yè)機(jī)器人定位精度條件成為衡量機(jī)器人性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)參數(shù),直接決定著機(jī)器人零件加工及高端裝配工作質(zhì)量和效率。通常將工業(yè)機(jī)器人定位精度分為絕對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度,提高機(jī)器人定位精度可靠性是提升機(jī)器人性能參數(shù)的關(guān)鍵性因素,常采用某種技術(shù)來對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定位精度條件進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)為現(xiàn)代化智能制造業(yè)提供重要的技術(shù)支撐,在推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、強(qiáng)國(guó)建設(shè)過程中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人朝著智能化、產(chǎn)業(yè)化、高端化方向快速發(fā)展,已經(jīng)基本具備工業(yè)機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)、智能化制造、零部件配套及工程應(yīng)用等方面的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展能力。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造、金屬加工等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,但國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在絕對(duì)定位精度方面暴露出諸多問題,明顯限制了工業(yè)機(jī)器人的創(chuàng)新研發(fā)與推廣應(yīng)用。
對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)的確定及其規(guī)范性試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循《GB/T 12642-2013工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)測(cè)試主要以ISO9283衡量標(biāo)準(zhǔn)。通常對(duì)機(jī)器人定位精度的分析需要先看衡量標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步分析具體技術(shù)和方法,最后科學(xué)選擇適合的測(cè)量設(shè)備。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,明確規(guī)定了工業(yè)機(jī)器人的主要性能指標(biāo),包含機(jī)器人位置、距離的重復(fù)性與準(zhǔn)確性,以及執(zhí)行運(yùn)動(dòng)位置的穩(wěn)定性等等。通常依據(jù)這些性能指標(biāo),從機(jī)器人重復(fù)定位精度與絕對(duì)定位精度分別衡量機(jī)器人的性能[3]。
從定位精度的誤差測(cè)量角度看,目前多采用頂尖對(duì)齊、拉線測(cè)量以及影像測(cè)量等多種方法,不同方法本身有著不同的局限性,無法統(tǒng)一保障末端測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)精確性。對(duì)工業(yè)機(jī)器人定位精度測(cè)量誤差補(bǔ)償在借助各種測(cè)量方法的基礎(chǔ)上,還仰賴于各種專業(yè)的測(cè)量工具以及數(shù)字化模型,以充分適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景下工業(yè)機(jī)器人性能參數(shù)要求。
當(dāng)前,工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)機(jī)械制造相關(guān)領(lǐng)域有著較為普遍的應(yīng)用,具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。通常為保證機(jī)器人末端執(zhí)行精度的可靠性,會(huì)在機(jī)器人出廠之前或者使用一段時(shí)間后對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。對(duì)工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部空間精度的測(cè)量應(yīng)當(dāng)借助三維測(cè)量設(shè)備,以測(cè)量得到的坐標(biāo)信息為基礎(chǔ)建構(gòu)三維坐標(biāo)系。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模式下,三維空間測(cè)量?jī)x器與機(jī)器人坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系成為機(jī)器人校準(zhǔn)標(biāo)定的重要前提,當(dāng)前對(duì)內(nèi)部測(cè)量機(jī)理需要進(jìn)一步地深入研究。
采用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換法,首先需要科學(xué)選擇測(cè)量點(diǎn)位,結(jié)合工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部工作空間,分別選取A1、A2、A3、A4、A5這五個(gè)點(diǎn)位,按照順時(shí)針方向建構(gòu)形成的矩陣斜平面能夠最大限度考慮到工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部工作所占據(jù)的空間。其次,借助機(jī)器人控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)作,確保機(jī)器人末端系統(tǒng)按順序依次經(jīng)過A1到A5測(cè)試點(diǎn),使用測(cè)量?jī)x器記錄過程三維空間坐標(biāo)參數(shù),以此為依據(jù)構(gòu)建測(cè)量?jī)x器與機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。最后,結(jié)合實(shí)際情況選擇適合的測(cè)量?jī)x器來分析系統(tǒng)誤差,利用信息技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行針對(duì)性處理。從機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系的建構(gòu)來看,主要包括最基本的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、笛卡爾坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系。其中關(guān)節(jié)坐標(biāo)系作為最基本的坐標(biāo)系,分為六個(gè)自由度,習(xí)慣將其稱之為六個(gè)軸。而笛卡爾坐標(biāo)系主要包括XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸,以原點(diǎn)為機(jī)器人中心點(diǎn),三個(gè)坐標(biāo)軸分別指向不同的方向[4]。同時(shí),世界坐標(biāo)系同樣具備六個(gè)自由度。關(guān)于機(jī)器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣算法,以機(jī)器人坐標(biāo)系線性代數(shù)理論為基礎(chǔ),從多個(gè)維度分別求解世界坐標(biāo)。即根據(jù)已知的機(jī)器人尺寸和關(guān)節(jié)坐標(biāo)、直角坐標(biāo)來求解世界坐標(biāo)。另外,在已知世界坐標(biāo)的基礎(chǔ)上求解關(guān)節(jié)坐標(biāo),運(yùn)用線性代數(shù)矩陣計(jì)算理論進(jìn)行求解,重點(diǎn)考慮關(guān)節(jié)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問題,確保計(jì)算結(jié)果同機(jī)器人末端實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相一致。
位置檢測(cè)算法主要針對(duì)機(jī)器人末端位置進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè),需要對(duì)檢測(cè)工作原理及數(shù)學(xué)算法理論有較深的理解。在實(shí)際檢測(cè)中,借助驅(qū)動(dòng)控制器讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到某一工作空間檢測(cè)點(diǎn),將機(jī)器人末端中心點(diǎn)設(shè)為Z,同時(shí)設(shè)Z在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置Z(Z1,Z2,Z3),根據(jù)不同坐標(biāo)系將機(jī)器人末端位置上的三個(gè)位移傳感器裝置對(duì)準(zhǔn)樣板并發(fā)射出三束激光,Z點(diǎn)到激光點(diǎn)的距離可通過位移傳感器來測(cè)量,將其另外標(biāo)記。將樣板上的光電運(yùn)用相機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識(shí)別,得出樣板坐標(biāo)系中的坐標(biāo)參數(shù),將其帶入同一轉(zhuǎn)換共時(shí)計(jì)算不同參數(shù)在基坐標(biāo)系中的位置。最后將具體問題轉(zhuǎn)化到同一基坐標(biāo)系中,建立坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)方程,以此來記錄機(jī)器人末端的位置信息,從而對(duì)機(jī)器人末端位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
當(dāng)機(jī)器人末端開始運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)主要用來描述機(jī)器人在工作空間內(nèi)的運(yùn)行行為,以此確定行為標(biāo)量參數(shù)。對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)的構(gòu)建,通常以機(jī)器人關(guān)節(jié)空間參數(shù)向操作空間運(yùn)動(dòng)深度進(jìn)行傳遞,當(dāng)達(dá)到某一特定值時(shí),機(jī)器人處于奇異形位狀態(tài),此時(shí)需要根據(jù)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行反解。當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)速度不存在或者速度非常大時(shí),表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能有所下降,進(jìn)而直接影響工業(yè)機(jī)器人定位控制精度。通常,機(jī)器人關(guān)節(jié)速度函數(shù)與空間運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)相關(guān),以此來分析獲取優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能空間的分布特征體系,當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能衡量指標(biāo)參數(shù)越高,表明機(jī)器人性能越好。
工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)往往決定著機(jī)器人末端位置,從機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性出發(fā),分別獲取機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間與笛卡爾坐標(biāo)系優(yōu)化測(cè)量空間。關(guān)節(jié)坐標(biāo)模式下,六個(gè)自由度成為機(jī)器人最顯著的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特征,主要影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)末端姿態(tài),需要重點(diǎn)考慮機(jī)器人末端奇異位置。當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)角度達(dá)到某一特定值,奇異位置將不存在。一般情況下,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)參數(shù)越大,就越遠(yuǎn)離奇異位置,在保證機(jī)器人末端姿態(tài)不受奇異位置的影響下,能夠準(zhǔn)確獲取機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確值,進(jìn)而保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。
當(dāng)前對(duì)工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度問題的研究,主要標(biāo)定方法包括離線誤差補(bǔ)償和在線誤差補(bǔ)償兩種類型。在線誤差補(bǔ)償通常需要借助外部設(shè)備作為一個(gè)實(shí)時(shí)追蹤反饋裝置,旨在獲得機(jī)器人末端處理器的執(zhí)行位置信息,以此進(jìn)行在線調(diào)整,不斷提高機(jī)器人絕對(duì)定位精度。而離線誤差補(bǔ)償主要作用于機(jī)器人作業(yè)之前的階段,采用數(shù)學(xué)算法、運(yùn)動(dòng)模型標(biāo)定以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來對(duì)機(jī)器人末端處理器執(zhí)行精度進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定,進(jìn)而對(duì)機(jī)器人定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償。采用在線誤差補(bǔ)償對(duì)外部實(shí)時(shí)反饋設(shè)備以及機(jī)器人末端處理器裝置性能及裝配精度有較高要求,所耗費(fèi)的成本也相對(duì)較高,能夠獲得更加精確的誤差精度[5]。
3.2.1 在線誤差補(bǔ)償
在線誤差補(bǔ)償法主要針對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行系統(tǒng)位置來分析,通過利用跟蹤儀、測(cè)量?jī)x等外部追蹤設(shè)備裝置來獲取機(jī)器人末端執(zhí)行位置信息,并將信息實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng),借助極端及系統(tǒng)來處理相關(guān)信息,以此獲得三維坐標(biāo)系,確定理想的坐標(biāo)點(diǎn)。此時(shí),對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,確保機(jī)器人末端執(zhí)行位置點(diǎn)與理想定位精度相吻合。其中,使用激光跟蹤儀設(shè)備來追蹤測(cè)量機(jī)器人位置的重復(fù)性和絕對(duì)精度,借助機(jī)器驅(qū)動(dòng)傳感器裝置接口在線補(bǔ)償機(jī)器人絕對(duì)定位精度誤差。采用在線補(bǔ)償誤差法能夠簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)復(fù)雜的操作程序,盡可能避免外部因素對(duì)機(jī)器人定位精度產(chǎn)生誤差影響,促使測(cè)量結(jié)果優(yōu)于測(cè)量標(biāo)定方法。即,當(dāng)機(jī)器人正常執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí),采用在線誤差補(bǔ)償對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償,同時(shí)利用計(jì)算機(jī)記錄補(bǔ)償數(shù)據(jù),在機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí),不需要激光跟蹤儀的實(shí)施追蹤參與就能合理控制機(jī)器人定位精度。
3.2.2 離線誤差補(bǔ)償
離線補(bǔ)償誤差法主要是指當(dāng)機(jī)器人末端實(shí)際運(yùn)行軌跡與目標(biāo)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生偏差時(shí),在已有的誤差模型基礎(chǔ)上,利用已經(jīng)生成補(bǔ)償?shù)男萝壽E數(shù)據(jù)進(jìn)行離線補(bǔ)償,確保機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行軌跡與目標(biāo)執(zhí)行軌跡高度一致。離線誤差更傾向于建立在剛性誤差模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行柔性誤差補(bǔ)償。通過分析機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)剛度、機(jī)械臂重力條件,以此為依據(jù)推算笛卡爾的剛度矩陣,對(duì)生成補(bǔ)償軌跡進(jìn)行修改。通過修改新輸入軌跡的方式來達(dá)到柔性誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>
當(dāng)采用運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)標(biāo)定時(shí),主要利用機(jī)器人關(guān)節(jié)六個(gè)自由度度量軸線的方式來標(biāo)定定位精度,采用徑向排列約束標(biāo)定法來準(zhǔn)確確定機(jī)器人末端執(zhí)行系統(tǒng)中心,建構(gòu)相對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)。
另外,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方法來建構(gòu)多重因素的機(jī)器人執(zhí)行非線性映射體系,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。在國(guó)外研究成果中,利用離線誤差補(bǔ)償法幾何圖形代碼程序來改變機(jī)器人執(zhí)行輸入軌跡。同時(shí)依據(jù)建構(gòu)的機(jī)器人柔性模型與機(jī)械剛度模型來分析預(yù)測(cè)機(jī)器人刀尖靜位移和切削力,對(duì)機(jī)器人執(zhí)行軌跡進(jìn)行改良,能夠從根本上減少機(jī)器人制造加工過程誤差,提高機(jī)器人絕對(duì)定位精度。
由工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度可以推斷出定位精度誤差原因,主要包括客觀隨機(jī)誤差和主觀認(rèn)知誤差。其中,隨機(jī)誤差與機(jī)器人生產(chǎn)制造過程中的溫度、負(fù)重負(fù)載、加速度以及環(huán)境等因素相關(guān),影響機(jī)器人重復(fù)定位精度。而主觀認(rèn)知誤差則與人的行為因素有更大關(guān)聯(lián),包括運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)定、機(jī)械臂重力結(jié)構(gòu)等,對(duì)機(jī)器人絕對(duì)精度產(chǎn)生直接性影響。
微分運(yùn)動(dòng)學(xué)理論下關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形態(tài)的研究說明,在已知三維空間內(nèi)某一關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上還需要獲取該點(diǎn)位置的位置信息。其中關(guān)于位置可使用兩個(gè)不同坐標(biāo)系中的坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變化,形成矩陣方程,以此判斷運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)器人位姿形態(tài)間的關(guān)系,為機(jī)器人誤差補(bǔ)償模型的建立奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度問題的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此已經(jīng)初步形成較為豐碩的研究成果?;诖?,本文對(duì)機(jī)器人絕對(duì)定位精度誤差原因及其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析,分別從在線誤差補(bǔ)償和離線誤差補(bǔ)償兩方面來探索機(jī)器人絕對(duì)定位精度測(cè)量標(biāo)定方法的實(shí)踐應(yīng)用情況。