多機器人協作中提高裝配精度的幾種方法分析

摘 要：針對多機器人協作裝配過程中NG次數較多、裝配成功率低的問題，應用激光光柵尺、TCP校準和視覺系統，設計了一套裝配誤差處理系統，以實現多機器人協作裝配時的高精度定位，消除了絕大部分系統誤差和機器人本體的絕對誤差，達到了高精度穩定裝配的目的。

關鍵詞：多機器人協作;誤差;精度

中圖分類號：V465;TP242.6+2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0047-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.013

0? ? 引言

在國內制造業領域的汽車及電子行業，以機器人自動化生產為典型應用的智能制造技術已經很普遍，但航空航天等軍工行業智能制造水平反而較低。

隨著航空航天及軍工武器裝備的技術提升，相應的產品復雜程度和裝配精度要求越來越高，傳統的人工裝配及測試能力已經越來越難以適應新型號、新項目的生產需求，因此對高效的多機器人協同智能自動化裝配需求越來越強烈[1]，相關院所普遍開始立項，對現有產線進行以機器人裝配結合數字化信息系統的自動化改造或策劃新建項目[2]。

由于生產批量小、品種多、技術要求高等特點，多機器人協作裝配過程中出現了NG次數較多、裝配成功率低的問題，經分析主要是系統的定位精度不高，于是提高裝配系統的精度成為關鍵問題[3-5]。

1? ? 實現目標

基于激光光柵尺、TCP校準和視覺系統研制裝配誤差處理系統，實現多機器人協作裝配時的高精度定位，消除絕大部分系統誤差和機器人本體的絕對誤差，達到高精度穩定裝配的目的。

2? ? 系統總體設計

本系統綜合運用了激光光柵尺、TCP校準和視覺系統來處理自動化裝配中出現的誤差，激光光柵尺主要用來減小多機器人間相對運動時處于不同坐標系帶來的誤差，TCP校準主要用來減小多機器人抓取不同工件時帶來的誤差，視覺系統主要用來減小機器人自身的絕對誤差和系統誤差[6-8]。

2.1? ? 激光光柵尺

多機器人間通過第7軸做相對運動時，第7軸直線導軌的精度很難滿足精密裝配的需要，于是通過增加高精度絕對式光柵尺的辦法來滿足，光柵尺能提高線性坐標軸的定位精度、重復定位精度，如圖1所示。

激光光柵尺硬件選擇成熟的海德漢LC200系列，其特點和優點如下：

（1）精度可達±0.005 mm;

（2）采用剛度可靠的高精度多軸承系統，確保光學系統的結構穩定性、重復定位高精度和測量高精度;

（3）傳感器為密封式一體結構，性能穩定，使用方便;

（4）光柵制作技術先進且成熟，能制作序列化抗干擾能力強的高精度光柵尺。

處理邏輯如圖2所示。

光柵尺能將絕對位置數據以編碼形式直接反映到光柵上，在光柵尺通電后，PC控制系統即可獲得位置信息，不需要移動坐標軸找參考點位置，絕對位置值從光柵刻線上直接獲得[9]。光柵尺測量直線軸位置過程中沒有任何其他機械傳動件，用直線光柵尺的位置控制環已包含機器人A和機器人B全部位置信息，機械運動誤差被導軌中的直線光柵尺檢測和控制系統補償修正，因此，它能消除滾珠絲杠溫度特性導致的定位誤差、反向運動誤差和結構件螺距誤差導致的運動特性誤差。

每臺機器人的位置通過光柵尺來獲得并上傳給PC控制系統，PC控制系統依據這些位置信息實時修正機器人的坐標系并下發給對應的機器人;每臺機器人通過PC控制系統獲得對應協作機器人的相對位置。

2.2? ? TCP校準

TCP校準主要用來減小多機器人抓取不同工件時帶來的誤差。機器人在線校準方案，旨在快速和自動保證機械設備的工作性能，可以檢測出機器人自身構造和工件中心點（TCP）的突然改變或偏離，并且該系統無須人為干涉就能自動修正誤差。為了保證裝配精度，提高裝配過程的安全系數，TCP校準選用成熟的Wiest LaserLAB激光校準設備，如圖3所示。

Wiest LaserLAB激光校準設備，具備以下兩種基本功能：

一是初裝時，能夠通過精確地測量工件和工具的相對機器人的坐標系，提高機器人程序的執行精度和效果，精度比人工測量方法提高10倍以上。對機器人工具的標定，不僅能夠精確測量位移坐標，對裝配更重要的工件的轉角坐標同樣能夠精確測量，測量精度能夠達到0.02 mm。Wiest LaserLAB能夠精確測量機器人卡爪的TCP坐標以及旋轉方向，同時能夠測量墻面孔洞工件坐標系的6個自由度，包括位移（X、Y、Z）以及旋轉方向（Rz、Ry、Rx），即孔陣面法向。在精準測量這兩個坐標系之后，能夠保證卡爪及所持工件與墻面工件的相對位置坐標以及方向，包括垂直度。

另一個功能，能在機器人裝配過程中實時監控機器人本身和工件的誤差。如果誤差超出許可范圍，能通過Wiest系統與機器人的連接自動對偏差進行補償，從而提高整個裝配過程的精度和安全系數。其補償邏輯如圖4所示。

2.3? ? 視覺系統

視覺系統的主要作用是自動測量出系統誤差（工件誤差、夾具誤差和設備運動誤差）和機器人自身的絕對誤差，清晰定位、精準識別，并能自動補償位置誤差，以引導機器人裝配工作。

視覺系統硬件選用Basler的SVS ECO834MTLGEC系列高速、高容量靈活性視覺系統。高分辨率相機，像素達1 200萬，多光譜拍攝，分辨率達到4 242×2 830，如果視場控制在20 mm×20 mm內，定位精度約0.007 mm，高于0.01 mm。

機器人抓手在工件安裝時采用視覺補正方式，通過補償角度和位移將工件裝配到安裝孔中，首先注冊基準位置，然后每次拍照計算當前位置和基準位置偏差補償給機器人完成視覺定位。裝配工件示意圖如圖5所示。

2.3.1? ? 注冊基準位置

注冊基準位置流程圖如圖6所示。

基準位置通過邊沿確定當前角度β數據，通過圓心坐標確定偏移X、Y數據。

2.3.1.1? ? 邊沿角度數據

注冊基準位置視覺流程首先通過邊沿檢測工具檢測一條沒有倒角的定位邊，可以得到邊沿的角度數據β0，如圖7所示。

2.3.1.2? ? 圓心位置數據

通過圓擬合工具可以找到定位螺絲孔圓中心像素坐標（x0，y0），如圖8所示。

2.3.1.3? ? 測量比例尺數據

圓心的位置X、Y數據為像素值數據，需要轉化為機器人坐標系中偏移mm數據。通過視覺卡尺測量工具測量已知距離l的兩條邊的像素距離n，可以得到像素和mm比例數據p，p=l/n（mm/pixel）。圓心坐標位置轉為mm位置坐標X0=x0·p，Y0=y0·p，如圖9所示。

2.3.2? ? 檢測當前裝配位置

檢測當前裝配位置流程如圖10所示。

測量當前偏移數據流程如下：

2.3.2.1? ? 測量角度偏移

再次執行位置檢測程序，通過邊緣工具檢測當前偏移角度數據β1，如圖11所示。

2.3.2.2? ? 檢測當前圓心位置

通過圓擬合工具檢測當前螺絲孔圓心坐標像素數據（x1，y1），如圖12所示。

2.3.2.3? ? 檢測當前比例尺

通過視覺卡尺測量工具測量已知距離l的兩條邊的像素距離n，可以得到像素和mm比例數據p，p=l/n（mm/pixel）。圓心坐標位置轉為mm位置坐標X1=x1·p，Y1=y1·p，如圖13所示。

2.3.2.4? ? 計算偏移數據

當前工件和基準工件偏移數據如下：

ΔX=X1-X0

ΔY=Y1-Y0

Δβ=β1-β0

3? ? 測試效果

激光光柵尺的精度為±0.005 mm，代替了導軌的

±0.1 mm精度，這樣就保證了機器人的位置精度;TCP校準的精度為±0.02 mm，代替了機器人抓手的自由誤差，這樣就保證了機器人和工件的姿態精度;視覺系統定位精度為±0.007 mm，代替了機器人運動絕對誤差（遠大于機器人的±0.05 mm重復定位精度），這樣就保證了工件和待裝配處的相對誤差。因此在機器人自動化裝配中各環節誤差都得到了有效控制，確保了裝配的可靠性和穩定性，實際應用也證實了這一點。

典型的相控陣天線零組件裝配精度要求優于

±0.15 mm，法向裝配精度達到±1.5″，非接觸測量間隙在（0.6±0.03）mm，這遠高于一般民用自動化裝配要求，國內機器人自動化裝配技術也從未達到此精度。

在筆者主持的相控陣雷達自動裝配項目中，通過激光光柵尺、影像視覺、TCP校準多維測量技術應用，結合誤差的核心算法研究，消除了絕大部分系統誤差和機器人的絕對誤差，實現了高精度定位和穩定的高精度裝配，滿足了雷達組件裝配的高精度要求。

4? ? 結語

本文提出了多機器人協作中提高裝配精度的幾種方法，通過激光光柵尺來減小多機器人間相對運動時處于不同坐標系帶來的誤差，通過TCP校準來自動修正機器人本體和抓取不同工件時帶來的誤差，通過視覺系統來減小機器人自身的絕對誤差和系統誤差，這樣整個系統各主要環節的誤差就得到了有效控制，大大提高了自動裝配的穩定性和成功率。

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收稿日期：2022-02-28

作者簡介：張平華（1973—），男，湖北天門人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：機器人自動裝配。