淺談柔性制造中工業機器人的高精度定位方法

楊程

【摘 要】在工業機器人高精度控制的基礎上構建柔性制造單元或是柔性生產線，實現工業機器人產生控制制造的快速化、柔性化和自動化生產。對于我國現代工業行業的產業轉型升級，以及提高中國創造具有重要的意義。如何實現柔性制造的工業機器人的高精度定位提升的思路和方法，對于我國現代工業的機械化、智能化生產提供一定的技術和理論支持。

【關鍵詞】現代工業；柔性制造；工業機器人；高精度控制

中圖分類號： TP242.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.006

Discussion on high-precision positioning method of industrial robot in flexible manufacturing

YANG Cheng

（Hubei Transportation Vocational and Technical College， Hubei Wuhan 430070， China）

【Abstract】Based on the high precision control of industrial robots， flexible manufacturing units or flexible production lines are constructed to realize the rapid， flexible and automated production of industrial robots. It is of great significance for the industrial transformation and upgrading of China's modern industrial industry and the improvement of China's creation. How to realize the high-precision positioning and upgrading of flexible manufacturing industrial robots provides certain technical and theoretical support for the mechanization and intelligent production of modern industry in China.

【Key words】Modern industry； Flexible manufacturing； Industrial robots； High-precision control

隨著2015年我國正式公布的工業4.0規劃，其中明確指出制造業在我國國民生產總值中的主體地位，強調了制造業對于提升我國綜合國力，同時也提出要能夠在工業制造中實現智能設備和產品的制造發展。而以工業機器人為代表的自動化設備平臺以其高度靈活性和編程性特點，能夠滿足批量化的生產需求，還可以實現批量多產品的快速更換生產制造。但是工業機器人仍是以面向工業領域的多關節機械手多自由度的機器裝置，其運動精度和動態特性等還不能夠滿足當下一個工業生產線的柔性配置和制造系統，因而要求能夠展開對面向現代柔性制造的工業機器人高精度技術的相關內容研究。

1 工業機器人的應用現狀

對于我國社會發展而言，其擁有全球最廣闊的工業機器人應用市場，并且隨著我國工業產業結構的轉型升級和人口紅利的退減，導致的中國機器人應用市場的快速發展。并且可以預見在未來我國工業機器人的范圍和使用將會呈現出柔性化、智能化等方向發展。

我國正在盡力推動自動化的工業生產模式，即將柔性制造同工業機器人相結合，提高生產效率和生產質量問題。在未來工業機器人主要的發展方向為實現精密化、柔性化、智能化和軟件應用開發為一體的工業機器人研發生產，從而達到對工業生產過程實施檢測、控制、優化和調動等全過程的自動化管理。如機器人動力學及仿真等先進的制造技術，實現工業機器人的綜合性發展。這對于面向現代柔性制造的工業機器人高精度控制方法的研究具有重要的理論支持，我國將全力提供技術支持、資金支持工業機器人滿足社會生產需求。

2 當前影響工業機器人高精度發展的因素分析

工業機器人在柔性制造中的廣泛應用的核心因素在于其絕對定位精度低、長期穩定性差等方面。由于影響工業機器人絕對定位精度的因素的多樣的，實現對其的定位誤差的影響因素的分析，可以有效的提升工業機器人高精度控制。第一是機器人運動學模型的參數的設定帶來的絕對定位精度的差異，機器人運動學模型的參數設定會產生桿件長度誤差、關節碼盤的靈位檢查等等，這些偏差會導致定位的不精準，因而當前主要是通過對機器人運動學模型中的各種參數的零偏差設定，來實現對其高精度化控制；下圖為工業機器人的d-h坐標輔助機器人展開精準度的定位運動。

第二是工業機器人內部結構中出現的負載變形帶來的影響，如機器人主要是在實現杠件力學

柔性形變、高速運動過程中殘生的附加內應力、末端執行器等都會導致待加工零件受力變形，從而帶來其工作的精度的不準確，要求能夠在工業機器人研發設計中，減少代加工零件受力變形的程度。第三是控制環境因素對于工業機器人的定位精度影響，在現實中，工業生產的場所的溫度大小、濕度情況都都會影響工業機器人的定位精度問題因而要求能夠實現定位誤差補充設定。

3 柔性制造中工業機器人高精度定位方法分析

針對上述提到的影響工業機器人高精度控制的因素可知，當前主要采用的精度誤差補充設定有以下幾點；

3.1 基于機器人模型的標定方法

基于模型的標定方式主要是通過在工業機器人建模、測量和參數識別層面上的校準補償。該方法主要運用于由于運動學模型的參數誤差，根據工業機器人而言，運動學模式的參數誤差問題不能夠直接用定位誤差修正方式，這是因而模型中的相關參數都是非線性耦合的，這些參數之間相互影響，單純的實現某一個參數的可靠性和精度的調整是不可能的。同時也是因為機器人的運動學的關節角的該變量的不定性所影響，當前可以對其的運動末端的位姿進行求解，主要方式如下：

通過公式可以求得8個解，對無效解進行剔除，在余下的有效解中，選取最接近與當前機器人關節位置的解，就是最終解。根據這一結構特點和求解方式，可以分析其的高精度控制方式可以采用分層、多級的補償測量，采用逐層逐級的補償和參數修正。如利用試驗中出現的誤差建模方式來對參數因素等誤差進行標定，繼而建立合理的運動學誤差模型來準確描述真實的誤差情況，從而提高兩者之間的相互耦合概率。模型的影響因素數量同參數辨識之間成正比，為了改變該現象，可以從增加魯棒性即增加參數辨識的可靠性來分離出對末端精度影響最大的因素進行辨識和補償。

3.2 工業機器人的非模型標定方法

工業機器人中定位精度的影響因素的標定方式很多，采用費默星標定方法可以通過曲線擬合、神經網絡等方法對工業機器人局部空間內位的誤差進行評估和補償。（1）是采用曲線擬合的定位誤差標定和控制。曲線擬合的誤差標定法主要的流程是通過誤差測量、曲線擬合和誤差插補三個步驟，首先是通過對工業機器人作業空間中的姿態下的位姿誤差進行測量，利用曲線擬合法構建機器人在作業空間中存在的位姿誤差分布曲線情況，將其補償到既定的目標位姿上；（2）是基于空間插值的定位誤差標定的方式。空間插值的定位誤差標定是將工業機器人的作業空間進行立體網格化的區分劃定，并且通過測量設備測得各個網格節點處的位姿誤差，從而建立起機器人的定位誤差數據庫。（3）是基于審計網絡的定位誤差標定，使用神經網絡方法提高工業機器人的高精度控制能夠對于多參數耦合的工業機器人的運動學模式的表述。如利用神經元網絡對于多組不同關節角度的末端執行器的空間位姿進行信息的收集和模擬，利用這些信息形成對機器人的神經網絡的控制網來達到對關節角的補償。

3.3 基于高精度外部觀測設備的實時精確定位

對于工業機器人面對柔性制造現場所呈現的定位漂移問題可以采用高精度外部觀測設備對機器人的末端工具進行精確定位的方式，來展開對定位漂移的有效腳掌。如利用光學三坐標測量機，實現對機器人末端執行器位置在工作環節中出現的漂移的校對。當前主要采用的測量其主要有激光跟蹤儀、IGPS等方式進行測量，采集到多維的數據信息，由此展開評估補償。

總而言之，當前在面向現代柔性工業機器人的高精度控制方法中，基于運動學模型的評估和補償方式是較為簡單且技術成熟的一種，但是其仍舊存在一些問題，如模型的不定性、機器人在工作環境中不能夠對某些防偽進行有效的補償。而實現對外部測量設備的精度提高方式則能夠有效的發揮工業機器人當前的設計制造特性，按照機器人的制造的設計原理對其定位誤差的分布規律等進行摸索排查。因而說在實現工業機器人的高精度控制方法要求能夠綜合展開上述三種方式的協調統一，避免出現某一技術方式短板所帶來的精度不精準的問題。

4 結語

綜上所述，針對于現代柔性制造產業，如航空航天制造業，其所制造的工業零件具有品類多、批量小以及精度要求高等特點，傳統的生產制造方式不能夠全面滿足這些生產需求特點，導致航天航空企業發展的成本較大、產品的質量和響應速度受到影響。因而實現工業機器人的高精度定位方法的優化發展，實現高精度補償技術，提高柔性制造水平，能夠為對航空航天制造領域在內的柔性制造行業提供新的動能，也可以預見，在現代柔性制造行業發展的帶動下，工業機器人的精準度較為得到較大程度的提升，而工業機器人將會得到較大的發展空間。

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