機器人集成系統標定測試研究

華偉 劉焱

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機器人集成系統標定測試研究

華偉1劉焱2

（1.東莞技研新陽電子有限公司 2.東莞新友智能科技有限公司）

針對機器人集成系統定位標定誤差較大的問題，提出一種機器人集成系統定位標定測試方法。首先運用機器人微分幾何學結合拉線編碼器、陀螺儀傳感器測量數據，并設計遞推公式；然后依據國家標準關于三邊測量法、慣性測量法和三角測量法測試數據統計分析的要求，識別機器人應用系統的誤差；最后通過修正運動控制系統參數，實現機器人原點標定和參數補償，使機器人集成系統達到運用場景要求。

機器人集成系統；拉線編碼器；陀螺儀傳感器；集成系統標定；運動控制系統

0 引言

機器人定位、工具端定位和工件定位是影響機器人集成系統有效運作的3個因素，其有效性和經濟性是機器人普及運用的前提。用于系統定位的傳統標定測試方法主要有三邊測量法和三角測量法。針對這2種標定測試方法國內外學者已做很多研究，王小平等（2012）研究三邊測量法的結果穩定性[1]；丁少文等（2013）在移動機器人定位中，根據同一位姿下機器人與不同信標點的3個相對角值，應用三角測量法實現機器人的定位，并提出基于擴展卡爾曼濾波的相對角動態估計方法，實現機器人移動過程中三角測量法的連續動態應用[2]；劉艷等（2015）為提高三邊測量法定位精度，將三邊測量法和最小二乘法結合起來進行機器人定位坐標計算，減小定位誤差[3]?，F有研究較多集中在應用三角測量法或三邊測量法來減小某一類別定位誤差，對安裝定位、工具端定位和工件定位三者聯系分析定位的研究較少。本文提出一種適應于機器人運用場景標定測試方法，將安裝定位、工具端定位和工件定位以及三者之間絕對誤差分析、系統誤差標定聯系起來，通過補償系統誤差獲得最佳使用精度、便捷使用的測試方法[4-6]。

1 標定測試系統描述

1.1 標定測試系統框圖

標定測試系統的組成框圖如圖1所示，包括3個拉線編碼器（EL）、3個陀螺儀（IMU）、1個運動控制系統（MC）和1臺測試用計算機（PC）；被測設備包括XYZR直交機器人集成裝備、水平四軸機器人集成裝備和六軸機器人集成裝備等設備。

圖1 標定測試系統的組成框圖

標定工具將3個EL和3個IMU安裝在被測裝備的設定位置（一般為工具端）。PC向被測裝備的MC發出特定運動指令，并同時觸發3個EL和3個IMU；被測裝備按指令運動時，3個EL和3個IMU向PC傳遞測試數據；PC接收數據，按既定程序和算法分析、計算，并與被測裝備MC發出的設定運動指令進行比較，得出測量結果。

1.2 測試數據規格

IMU測試數據規格和EL測試數據規格如表1和表2所示。

1.3 標定測試系統測量方法

1)三邊測量法

三邊測量法的計算模型如圖2所示，3個EL測試數據分別為1、2、3；其間距離為；工具端坐標為：、、。

由畢達哥拉斯定理得

=(12-22+2)/2

=12-32-2+ (-)2+2

=12-2-2

表1 IMU測試數據規格

表2 EL測試數據規格

圖2 三邊測量法的計算模型

2)三角測量法

三角測量法計算模型如圖3所示，3個IMU測試數據分別為方位角1、2、3；俯仰角1、2、3；側偏角1、2、3；可用基線長度12，確定被測裝備設定位置的坐標、、。

由三角函數定理得

=12sin1sin2/ (sin1+sin2)

=/tan1

=(2+2) tan1

圖3 三角測量法計算模型

2 標定項目測試

參照《GB/T12642-2013工業機器人性能規范及其試驗方法》進行試驗方法研究：：1) 位姿準確度和位姿重復性；2) 多方向位姿準確度變動；3) 距離準確度和距離重復性；4) 位置穩定時間；5) 位置超調量；6) 位姿特性漂移；7) 軌跡準確度和軌跡重復性；8) 重復定向軌跡準確度；9) 拐角偏差；10) 軌跡速度特性。

2.1 測量原點測定

1)在指定位置安裝固定好3個EL和3個IMU測試治具，如圖4所示；

2)被測設備以額定速度的10%對各運動軸分別進行測試：移動到2/3額定行程處，然后返回設備原點，此時測試軟件記錄EL值和電子陀螺儀IMU值；

3)重復步驟2）50次；

圖4 (a) 安裝位⑴

(b) 安裝位⑵

4)計算各運動軸原點位置正態分布，如圖5(a)所示，標準偏差應少于規格值1/6，否則提示“xx軸原點超差，需校正”；

5)按步驟4）提示對機械結構進行校正，重復步驟2)、3)、4)直到滿足設計要求，如圖5(b)所示；

(a) 校正前

(b) 校正后

圖5 運動各軸原點位置正態分布圖

6)被測設備以額定速度的10%對各運動軸同時進行測試：移動到2/3額定行程處，然后回設備原點，此時測試軟件記錄3個EL和3個IMU測試數據；

7)重復步驟6) 50次；

8)計算各運動軸聯動回原點位置正態分布，標準偏差應少于規格值1/3，否則提示“回原點超差，需校正”；

9)按步驟8)的提示對機械結構進行校正，并重復步驟6)、7)、8)直到滿足設計要求；

10)取中心值為EL和IMU相對刻度零點。

2.2 位置重復性試驗

1)規劃測試軌跡時，可根據機器人集成裝備實際使用場景和機器人本體絕對定位精度合理調整。本測試系統按國標GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規范試驗軌跡實例，如圖6所示。

圖6 試驗軌跡實例

①在1-2-7-8平面，由PC按1-2-3-4-5順序依次向MC發出運動指令（包含位置、速度、加減速度信息），PC接收3個EL和3個IMU測試數據，并依次計算1-2-3-4-5坐標值；

② PC從MC讀取各運動軸在1-2-3-4-5的變量值；

③測試軟件按國標GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規范之7.2.1位姿準確度（AP）定義，分析計算3個EL和3個IMU測試數據，并依次計算出1-2-3-4-5位置準確度；

④測試軟件按國標GB/T12642-2013/ISO 9283：1998規范之7.2.1位姿準確度（AP）定義，分析計算MC中變量值，并依次計算出1-2-3-4-5機器人系統位置準確度；

⑤測試軟件分析PC指令、3個EL和3個IMU測試數據位置準確度及MC中變量值位置準確度，機器人集成系統位置準確度傾向如圖7所示。

圖7(a)表明：在1、2、3、4、5點觀察的測試數據與MC中變量值位置準確度的量化關系，為現場調試機器人整機裝備提供準確信息。

圖7(b)表明：1、2、3、4、5點觀察的各運動軸測試數據與MC中變量值位置準確度的量化關系，為現場調試機器人整機裝備標定系統誤差提供準確可靠的信息。

(a) 散布圖

(b) 箱線圖

圖7 機器人集成系統位置準確度傾向

2)重復步驟1)測試數次和調整即可完成機器人集成系統標定，縮短機器人整機系統在現場準備時間，從而用最低成本、最大化提高整機裝備的運行精度。

3 結語

1)本測試標定系統避免了復雜運動學計算，位置坐標計算簡單快捷、測試數據直觀；

2)分步測量、標定的方法提高誤差的可辨識性，特別在多個運動學參數耦合嚴重的情況下，利用精度分析將誤差分類標定，加快收斂速度；

3)本方法所使用測試傳感器體積小、攜帶方便，非常適合機器人裝備現場安裝作業，在相對較短時間內完成現場安裝任務。

[1] 王小平,羅軍,沈昌祥.三邊測量法的結果穩定性研究[J].計算機工程與科學,2012,34(6):12-17.

[2] 丁少文,王林.基于連續三角測量法的機器人定位方法[J].微型電腦應用,2013,30(5):9-12.

[3] 劉艷,董寬.基于超聲波傳感器的室內機器人定位研究[J].信息技術,2015(8):54-56.

[4] JB/T10825－2008,工業機器人產品驗收實施規范[S].

[5] 汪勵,陳小艷.工業機器人工作站系統集成[M].北京:機械工業出版社,2014.

[6] 馮亞磊,曲道奎,徐方,等.一種工業機器人零位標定方法:中國,CN103659806A[P].2014-03-26.

Research on Positioning and Testing of Robot Integrated System

Hua Wei1Liu Yan2

(1. Dongguan Shintech Electronics Co., Ltd. 2.Dongguan Shinyou Intelligent Technology Co., Ltd.)

Focusing on the problem of large calibration error of robot integrated system, a method of locating and calibrating the robot integrated system is proposed. Firstly, using the differential geometry of the robot and combining the cable encoder and the gyro sensor measurement data, the recursive formula was proposed. And then according to the statistical analysis requirements described in the national standard specification of the trilateral measurement method, inertial measurement and triangulation test, the error of the robot application system was calculated. Finally, the robot’s origin calibration and parameter compensation are realized by modifying the parameters of the motion control system, which makes the robot integrated system to achieve the use of scene requirements.

Robot Integrated System; Cable Encoder; Gyro Sensor; Integrated System Calibration; Motion Control System

華偉，男，1970年生，工程師，本科，主要從事機械設備研發工作。

劉焱，男，1974年生，工程師，?？?，主要從事工業機器人及智能裝備的研發工作。