基于正交試驗法的工業(yè)機(jī)器人定位誤差測量研究

劉旭升

摘要??? 了能夠?qū)I(yè)機(jī)器人定位誤差進(jìn)行測量，創(chuàng)建機(jī)器人定位誤差測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于正交試驗表，對工業(yè)機(jī)器人定位誤差需要收集的數(shù)據(jù)樣本空間進(jìn)行確定，測量工業(yè)機(jī)器人在樣本空間中的定位誤差。

【關(guān)鍵詞】正交試驗 工業(yè)機(jī)器人 定位誤差

在工業(yè)科技不斷發(fā)展的過程中，機(jī)器人屬于類人自動化設(shè)備，正在逐漸的代替人類實現(xiàn)大量高精度、高強(qiáng)度的工作人員，被人們廣泛使用。但是目前使用哪種方法對預(yù)定作用需求控制，都會因為存在的誤差降低定位精度。所以，就要測量定位誤差，解決實際問題。

1 工業(yè)機(jī)器人定位誤差測量系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人定位誤差測量系統(tǒng)中的P指的是待測量靶標(biāo)中心，B指的是基坐標(biāo)系，M指的是FAROARM的坐標(biāo)系，F(xiàn)指的是機(jī)器人法蘭盤坐標(biāo)系。FAROARM能夠?qū)Π袠?biāo)中心在M坐標(biāo)系中的坐標(biāo)進(jìn)行直接的測量，并且機(jī)器人自身也能夠成為測量裝置得到被機(jī)器人所抓著的靶標(biāo)中心P在機(jī)器人B坐標(biāo)中的坐標(biāo)，兩者實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就能夠到同個坐標(biāo)系中統(tǒng)一，從而對比得到工業(yè)機(jī)器人在工作空間中各測量點位置誤差。工業(yè)機(jī)器人定位誤差測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

ΔP=PM-BTMFTBPF

ΔP指的是工業(yè)機(jī)器人測量點P位置誤差，PM指的是P測量點在M坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，F(xiàn)TB指的是工業(yè)機(jī)器人F坐標(biāo)系和機(jī)器人B坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，BTM指的是機(jī)器人B坐標(biāo)系和M坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，PF指的是P點在F坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

使用機(jī)器人D-H方法創(chuàng)建連桿坐標(biāo)系，在運動學(xué)分析過程中，相鄰連桿之間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為：

以此表示，為了能夠得到工業(yè)機(jī)器人在工作空間中不同測量點的定位誤差，就要實現(xiàn)BTM和PF的預(yù)先標(biāo)定。之后，只要對機(jī)器人各關(guān)節(jié)角進(jìn)行改變，就能夠?qū)C(jī)器人工作空間中的多組定位誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

2 定位誤差測量

工業(yè)機(jī)器人定位誤差和機(jī)器人工作空間中的位姿具有密切關(guān)系，為了能夠?qū)C(jī)器人實際定位誤差分布情況進(jìn)行展現(xiàn)，從理論上分析，收集數(shù)據(jù)越多，對于機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定就會越有利。但是實際情況是要降低收集數(shù)據(jù)量，為了對此問題進(jìn)行解決，使用正交實驗法設(shè)計原理在實驗之前合理安排實驗的過程。對測量樣本空間正交試驗過程進(jìn)行確定，使工業(yè)機(jī)器人六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)成為確定機(jī)器人空間位姿指標(biāo)影響因素，充分考慮實際情況，所有因素都取五個左右水平，之后實現(xiàn)定位誤差測量。

定位誤差測量的目的就是對機(jī)器人手臂末端運行情況和定位誤差分布的情況進(jìn)行觀察，本文利用SIAI機(jī)器人。在利用正交試驗法實現(xiàn)測量的過程中，要收集數(shù)據(jù)。充分考慮測量范圍有限，實際測量樣本空間使用兩次正交表得到。先劃分機(jī)器人整體空間成為25個樣本子空間，之后在所有子空間中設(shè)計相應(yīng)測量點。

以機(jī)器人從零點運行到工作區(qū)域中的點，利用定位誤差測量收集此點的位置。通過測量之后得到的最大駐留點距離為1158.31um、1114.6847um，機(jī)器人重復(fù)定位精度指的是56.60um，通過兩次測量結(jié)果表示，距離誤差分布具備一定重復(fù)性，所以此結(jié)果并不是由于隨機(jī)擾動導(dǎo)致的。以第一次得出的定位誤差，實現(xiàn)程序中原始駐留點位移補(bǔ)償調(diào)整。補(bǔ)償之后駐留點最大距離誤差就是227.84um，降低定位誤差為19.67%。實驗結(jié)果表示，此機(jī)器人絕對誤差有80%能夠補(bǔ)償。

3 實例驗證

使機(jī)器人運行到305個不同工位中，其中300個工位辨識參數(shù)，在取點的過程中使機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間中的各關(guān)節(jié)都能夠運動，基于笛卡爾空間，使末端根據(jù)X、Y、Z運動，控制坐標(biāo)系位置不發(fā)生變化，從而提高辨識參數(shù)值的精準(zhǔn)性。其他工位實現(xiàn)重復(fù)性的實驗，進(jìn)行結(jié)果對比，驗證測量精度及補(bǔ)償結(jié)果。

因為機(jī)器人控制模型源碼開放，從而得到連桿參數(shù)實際值能夠及時的到機(jī)器臂控制器進(jìn)行反饋，修正名義值。修正參數(shù)補(bǔ)償誤差之后，對機(jī)器人重新控制，實現(xiàn)機(jī)器人末端實際值的再次測量，測量結(jié)果見圖1。

通過大量的反復(fù)試驗得到以下結(jié)論：

（1）此測量方法的精度比較高，并且滿足實際需求，除了會受到相機(jī)測單點精度影響以外，還會受到球體加工精度和表面粗糙度限制。

（2）通過測量結(jié)果表示，雙目視覺及激光跟蹤儀實現(xiàn)標(biāo)定，補(bǔ)償之后機(jī)器人定位精度會有所提高。

（3）在編制軟件的過程中，因為球體靶點編號識別要求大量常量實現(xiàn)對比運算，所以具有較大的數(shù)據(jù)庫，對軟件數(shù)據(jù)運算速度會有所影響。基于不對機(jī)器人本體末端額定負(fù)重比影響的前提下，通過實驗需求重新設(shè)計球體，并且布置靶點，還能夠使用多面體進(jìn)行代替，棱邊規(guī)則性和根據(jù)特征識別靶點編號實現(xiàn)求解坐標(biāo)姿態(tài)變換矩陣比較簡單。在今后研究過程中，要充分考慮結(jié)合遺傳算法等搜索功能，使程序運算量得到降低。

4 結(jié)束語

本文將FAROARM成為機(jī)器人定位誤差測量過程中的工具，創(chuàng)建機(jī)器人定位誤差測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且提出了測量系統(tǒng)中收集樣本數(shù)據(jù)的方法，創(chuàng)建實際機(jī)器人定位誤差側(cè)拉滾系統(tǒng)，對機(jī)器人在樣本空間中的定位誤差進(jìn)行了測量，表示正交試驗法測量工業(yè)機(jī)器人定位誤差效果良好，能夠為后續(xù)機(jī)器人定位誤差補(bǔ)償方法的深入研究打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉振，陳萬米，熊奇.移動機(jī)器人測程法定位誤差分析與校正[J].電子測量技術(shù)，2017（12）：75-81.

[2]邾繼貴，鄒劍，林嘉睿.面向測量的工業(yè)機(jī)器人定位誤差補(bǔ)償[J].光電子.激光，2013（04）：746-750.

[3]韓哈斯額爾敦，曾志革，劉海濤等.光學(xué)加工機(jī)器人定位誤差測量與分析[J].光電工程，2017，44（05）：516-522.

[4]朱劍芳.基于激光測量的工業(yè)機(jī)器人定位研究[J].激光雜志，2018，39（10）.