一種基于位姿反饋的工業(yè)機(jī)器人定位補償方法
2017-6-6 來源：溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：何慶稀，游震洲，孔向東
摘要:為了提高工業(yè)機(jī)器人的絕對定位精度,提出了一種基于末端位姿閉環(huán)反饋的機(jī)器人精度補償方法.該方法通過激光跟蹤儀測量實時跟蹤機(jī)器人末端靶標(biāo)點的位置來監(jiān)測機(jī)器人末端的位姿,并通過對靶標(biāo)點的實際位置和理論位置進(jìn)行匹配獲得機(jī)器人末端的位姿偏差.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與激光跟蹤測量系統(tǒng)通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并根據(jù)位姿偏差數(shù)據(jù)對機(jī)器人末端的位姿進(jìn)行修正.最后通過實驗對基于末端位姿閉環(huán)反饋的機(jī)器人精度補償方法進(jìn)行驗證,實驗表明,經(jīng)過位姿閉環(huán)反饋補償后機(jī)器人末端位置誤差最大幅度可以降低到０．０５mm,姿態(tài)誤差最大幅度可以降低到０.０１２°.
關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人;絕對定位精度;位姿閉環(huán)反饋;激光跟蹤儀
０.引言
工業(yè)機(jī)器人具有高度柔性、通用性和易操作的特性,廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,特別是因其具有較高的重復(fù)定位精度而廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、搬運等工作中.相對于其較高的重復(fù)定位精度,機(jī)器人絕對定位精度較低[１].在工業(yè)應(yīng)用中,影響機(jī)器人絕對定位精度的因素很多,主要可以分為兩大因素[２]:一是機(jī)器人運動學(xué)模型誤差,包括連桿長度誤差、連桿距離誤差;二是機(jī)器人動力學(xué)模型誤差,主要包括機(jī)器人關(guān)節(jié)傳遞誤差、齒輪傳動誤差、運動摩擦等.目前提高機(jī)器人絕對定位精度的方法主要有兩種,一種是對機(jī)器人的運動學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定.基于運動學(xué)模型的參數(shù)標(biāo)定主要包括運動學(xué)模型建模、測 量、參數(shù)識別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MDＧH模型,揭示了機(jī)器人連桿參數(shù)的微小變化和機(jī)器人末端位姿變化之間的線性關(guān)系.國內(nèi)基于模型的參數(shù)標(biāo)定方法普遍是在建立DＧH運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上,識別出機(jī)器人的幾何參數(shù)并進(jìn)行誤差補償[７Ｇ９].機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)不僅需要深入研究復(fù)雜的機(jī)器人正逆運動學(xué)模型和參數(shù)識別算法,而且存在兩方面的顯著局限,一是補償后定位誤差為０．２mm,精度幾乎沒有提升空間,二是并非對測量空間內(nèi)所有點均能實現(xiàn)有效補償.另一種提高機(jī)器人定位精度的方法是,在工業(yè)機(jī)器人末 端 執(zhí) 行 器上添加反饋系統(tǒng)如光學(xué)測量系統(tǒng)[１０]、視覺測量系統(tǒng)[１１]和力檢測系統(tǒng)[１２]等.Wang等[１３]使用激光跟蹤儀實時補償工業(yè)機(jī)器人末端三軸動力頭的運動誤差,但為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性與成本,該方法只使用在三自由度的機(jī)器人上.Vincze等[１４]提出了一種采用激光跟蹤儀與視覺系統(tǒng)實時測量機(jī)器人位姿的方法,其中機(jī)器人的位置信息由激光跟蹤儀獲取,機(jī)器人的姿態(tài)由激光跟蹤儀與視覺系統(tǒng)共同獲取.為了提高機(jī)器人的定位精度,本文提出一種基于工業(yè)機(jī)器人末端位置和姿態(tài)閉環(huán)反饋的定位補償方法.
１.基于位姿反饋的精度補償原理
１.１系統(tǒng)組成與集成
基于末端位姿反饋的機(jī)器人精度補償系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人和 激光跟蹤測量系統(tǒng)兩個部分.工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行主體,主要是實現(xiàn)對末端執(zhí)行器或工件的夾持和定位.末端執(zhí)行器或工件通過法蘭盤固定安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭上,與工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成一個整體.機(jī)器人通過調(diào)整末端的位姿來實現(xiàn)末端執(zhí)行器或工件的定位.激光跟蹤測量系統(tǒng)用于實時地測量機(jī)器人末端執(zhí)行器或工件的位置和姿態(tài).根據(jù)剛體的特性,只需要在末端執(zhí)行器或工件上布置三個以上不在一條直線上的靶標(biāo)點,就可以實現(xiàn)對位置和姿態(tài)的測量.對此,開發(fā)了專用的測量軟件,可以通過比較靶標(biāo)點的設(shè)計理論值和激光跟蹤儀的實際測量值,計算末端執(zhí)行器或工件的位姿偏差.實際上,激光跟蹤儀與工業(yè)機(jī)器人之間構(gòu)成了一個基于末端位姿的閉環(huán)反饋系統(tǒng),激光跟蹤儀作為機(jī)器人的外置傳感器,實時監(jiān)測并返回機(jī)器人末端的位姿誤差(圖 １).
圖１位姿反饋原理圖
工業(yè)機(jī)器人和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,如圖２所示.這些數(shù)據(jù)包括位姿偏差數(shù)據(jù)、機(jī)器人坐標(biāo)系數(shù)據(jù)等.具體而言,測量軟件驅(qū)動激光跟蹤儀完成對靶標(biāo)點的自動
圖２系統(tǒng)集成
蘭坐標(biāo)系數(shù)據(jù)來計算機(jī)器人的位姿偏差,并將偏差數(shù)據(jù)寫入OPC服務(wù)器.機(jī)器人在完成定位后需要往OPC服務(wù)器中寫入當(dāng)前機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系,并讀取來自測量軟件的位姿偏差數(shù)據(jù).
１．２位姿補償方法
由于影響機(jī)器人本身的定位精度的因素很多,包括運動學(xué)模型誤差、齒輪傳動誤差、關(guān)節(jié)運動摩擦等動力學(xué)模型誤差和溫度、載荷等,機(jī)器人在位姿補償過程中也會帶入誤差.因此,基于位姿反饋的工業(yè)機(jī)器人定位精度補償方法的實現(xiàn)是一個逐漸逼近理論位姿的過程,具體操作流程如下:(１)根據(jù) CAD 模型,確定機(jī)器人末端的理論工作位置和姿態(tài),規(guī)劃機(jī)器人運動路徑,并編制相應(yīng)的機(jī)器人控制程序.根據(jù)機(jī)器人末端的理論位姿,獲得機(jī)器人末端執(zhí)行器或工件上靶標(biāo)點的理論坐標(biāo).
(２)運行機(jī)器人控制程序,實現(xiàn)機(jī)器人在自身精度條件下的初定位.(３)機(jī)器人完成定位后,激光跟蹤儀測量靶標(biāo)點的實際坐標(biāo).通過與其理論坐標(biāo)進(jìn)行匹配,計算當(dāng)前機(jī)器人末端執(zhí)行器或工件的位姿偏差.
(４)進(jìn)行姿態(tài)偏差評判,若位姿偏差滿足工藝要求,流程跳轉(zhuǎn)執(zhí)行(６);若位姿偏差超出工藝要求,則需 要 對 機(jī) 器 人 的 位 姿 進(jìn) 行 修 正,繼 續(xù) 執(zhí)行(４).(５)通過工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò),激光跟蹤儀將位姿偏差數(shù)據(jù)傳輸給工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng).工業(yè)機(jī)器人根據(jù)位姿偏差數(shù) 據(jù)對機(jī)器人末端的位姿進(jìn)行調(diào)整機(jī)器人調(diào)整完成后,流程返回(３).(６)機(jī)器人定位結(jié)束.
２.機(jī)器人末端位姿誤差評價
２．１機(jī)器人位姿誤差描述
機(jī)器人位姿誤差包括機(jī)器人末端在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置偏差和姿態(tài)偏差.末端執(zhí)行器或工件通過法蘭固定安裝在機(jī)器人末端后,與機(jī)器人法蘭構(gòu)成一個整體.因此,機(jī)器人末端執(zhí)行器或工件的位姿誤差問題可以轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端法蘭的位姿誤差問題.機(jī)器人位姿反饋補償流程如圖３所示.
２．１．１ 機(jī)器人末端位置誤差
機(jī)器人末端的位置誤差表示機(jī)器人末端的實際位置和理論位置之間的差值,即
式中,T 和T０分別為機(jī)器人末端的實際位置和理論位置.
圖３位姿反饋補償流程
２．１．２ 機(jī)器人末端姿態(tài)誤差
機(jī)器人末端姿態(tài)誤差用四元數(shù)表示:
２．２位姿誤差評價算法
一個剛體的位置和姿態(tài)可以通過不共線的三個點的位置來確定.工件通過法蘭安裝在機(jī)器人末端后,可將工件與機(jī)器人末端看作是一個剛體.在工件上布置三個以上的靶標(biāo)點,通過這些靶標(biāo)點的位置就可以確定 當(dāng)前機(jī)器人末端的實際位姿.進(jìn)一步通過比較靶標(biāo)點的理論值和實際值,運用剛性匹配算法可 以得到機(jī)器人末端的位姿偏差.假設(shè)靶標(biāo)點在機(jī)器人坐標(biāo)系 W 下的理論位置為WPai,實際測量值為WPbi.首先,需要將靶標(biāo)點的理論值和測量值都轉(zhuǎn)換到工業(yè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系(與機(jī)器人末端法蘭坐標(biāo)系F 重合)下:文3根據(jù)剛性匹配原理,靶標(biāo)點的理論坐標(biāo)和實
３.實驗
本文通過實驗對基于位姿閉環(huán)反饋的機(jī)器人定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行了驗證.實驗中,工業(yè)機(jī)器人采用庫卡公司的重載機(jī)器人KR３６０L２８０Ｇ２(最大載荷２８００N),標(biāo)稱重復(fù)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.該儀器在全量程范圍內(nèi)(水平方 向３６０°,垂直方向正負(fù)４５°,最大測量距離８０m)對單點的測量不確定度為基礎(chǔ)值１５μm與增量值(每米增量值為６μm)之和.在機(jī)器人末端安裝三個靶標(biāo)點作為位姿檢測點.
為了對機(jī)器人在經(jīng)過位姿閉環(huán)反饋補償前后的末端位姿精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行比較,在整個機(jī)器人的作業(yè)空間內(nèi)隨機(jī)選擇了若干位姿作為理論參考位姿.整個實驗過程可以按如下步驟進(jìn)行:首先,通過機(jī)器人運動程序驅(qū)動機(jī)器人自行運動到目標(biāo)位姿.在機(jī)器人定位完成后,通過激光跟蹤儀測量末端靶標(biāo)點的坐標(biāo),來計算當(dāng)前的位姿偏差.接著,運用本文提出的基于位姿閉環(huán)反饋的位姿精度補償方 法對機(jī)器人的末端進(jìn)行補償,然后記錄補償以后的機(jī)器人位姿誤差.最后對補償前后機(jī)器人的定位精度進(jìn)行比較.以其中某個參考位姿的補償過程為例進(jìn)行說明,圖４記錄了整個位姿補償過程中機(jī)器人末端位姿偏差的縮減情況.從圖４可以看出,在經(jīng)過僅僅三次位姿誤差補償后,機(jī)器人的末端位姿便得到了明顯的 提 高,其中位置誤差從 １．４ mm 減少到０．０８１mm,角度誤差從０．７１２°減少到０．０１３°.顯然,基于位姿閉環(huán)反饋的機(jī)器人末端位姿補償方法具有很好的收斂性和較高的位姿補償效率.
圖４機(jī)器人位姿補償過程
實驗中,為了獲得經(jīng)過位姿閉環(huán)反饋補償后的機(jī)器人的定位精度和重復(fù)定位精度,對于每一個參考位姿,重復(fù)多次從同一個方向?qū)C(jī)器人的位姿進(jìn)行補償和定位,記錄每次機(jī)器人最終實際定位位姿與參考位姿的偏差值.然后計算位姿偏差的均值作為位姿閉環(huán)反饋系統(tǒng)的定位精度,同時計算位姿偏差的標(biāo)準(zhǔn)差作為位姿閉環(huán)反饋系統(tǒng)的重復(fù)定位精度.最后,對工業(yè)機(jī)器人在位姿反饋補償前后位姿定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行比較.圖５是工業(yè)機(jī)器人補償前后的位姿定位精度對比圖,圖中橫坐標(biāo)為對應(yīng)的參考位姿編號.從圖中可以非常明顯地看出,經(jīng)過位姿閉環(huán)反饋補償后,工業(yè)機(jī)器人的末端位姿精度得到了明顯的提高.總體來說,經(jīng)過補償后工業(yè)機(jī)器人的末端位置誤差可降低到０．０９mm以下,最大幅度可降低到０．０５mm,姿態(tài)誤差降低０．０１５°以下,最大幅度可降低到０．０１２°.相比于補償前,機(jī)器人末端位置誤差最大幅度降低９５％,姿態(tài)誤差降低９２％.圖６是工業(yè)機(jī)器人補償前后的位姿的重復(fù)定位精度對比圖,圖中橫坐標(biāo)為對應(yīng)的參考位姿
圖５機(jī)器人位姿定位精度比較
圖６機(jī)器人位姿重復(fù)定位精度比較
編號.從圖中可以看出,經(jīng)過位姿補償后,工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度也有了很大的提高,其中位置誤差 從補償之前 的０．０８~０．１４mm降 低 到 了０．０２~０．０５mm,姿態(tài)誤差從補償之前的０．０１５°~０．０３°降低到了０．００３°~０．００５°.顯然,實驗結(jié)果證明,本文提出的基于位姿閉環(huán)反饋的工業(yè)機(jī)器人定位補償方法可以同時顯著提高機(jī)器人的絕對定位精度和重復(fù)定位精度.
４.結(jié)論
本文提出了一種基于末端位置和姿態(tài)閉環(huán)反饋的工業(yè)機(jī)器人絕對定位補償方法.該方法使用激光跟蹤系統(tǒng)來測量機(jī)器人末端上的靶標(biāo)點來獲得機(jī)器人的當(dāng)前位姿,并通過與靶標(biāo)點的理論位置匹配來計算機(jī)器人末端位姿偏差.工業(yè)機(jī)器人則根據(jù)位姿偏差數(shù)據(jù)對末端的位姿進(jìn)行修正.激光跟蹤測量系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)通過工業(yè)局域網(wǎng)和OPC服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.最后通過實驗驗證了基于位姿閉環(huán)反饋的機(jī)器人絕對定位補償方法的有效性,實驗結(jié)果證明該方法可以顯著降低工業(yè)機(jī)器人的定位誤差.
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年4月 新能源汽車銷量情況
- 2025年4月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 軸承出口情況
- 2025年4月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時代，少談點智造，多談點制造
- 現(xiàn)實面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別