國產激光跟蹤儀在工業機器人校準中的應用

周培松 周維虎 董登峰 敖俊姣 梅東濱

（1．海寧集成電路與先進制造研究院，浙江 嘉興 314400；2．中國科學院微電子研究所，北京 100029）

激光跟蹤儀是一種大尺寸、空間幾何量精密的測量儀器，具有量程大、測量精度高、測量速度快、測量功能多（三維坐標、尺寸、形狀、位置、姿態和動態運動參數等）以及可現場測量等特點，是大型高端裝備制造與機器人位姿校準中不可或缺的檢測儀器。

工業機器人是一種集精密化、柔性化和智能化于一體的多自由度自動機器裝置，可以根據自身的動力和控制能力完成各種工業加工制造任務，在高端制造、無人工廠以及現代物流等各個工業領域中都有廣泛應用。工業機器人，尤其是高精度工業機器人的研發、制造和應用代表一個國家高端制造業水平和科技創新能力。

1 工業機器人校準的必要性

“中國制造”舉世聞名，工業機器人在“Made in China”中發揮了不可替代的作用。工業機器人的主要性能指標如圖1所示，其中有2個最重要的性能指標：位姿重復性和位姿準確度[1]。位姿重復性即重復定位精度，是指工業機器人重復回到同一位姿的能力，由工業機器人本身的硬件質量（例如編碼器、齒輪系的精度等）保證。位姿準確度是工業機器人到達指令位姿的能力，也即絕對定位精度。絕對定位精度在實際工況下取決于關節的實際結構尺寸與機器人控制系統所用的模型尺寸間的差異、運動控制分辨率、坐標轉換誤差以及工業機器人零部件的加工誤差等因素。提高工業機器人絕對定位精度的關鍵在于建立合適的誤差模型并實時補償[2]。

工業機器人實現高精度、穩定正常作業的前提條件是高絕對定位精度，它直接關系到企業的良品率、生產效率。以往大部分工業機器人都是采用激光測距儀、千分尺、三坐標測量機或者進口的激光跟蹤儀對性能指標進行校準或檢測，但是受檢測方法（位置、姿態性能指標及位置穩定性等參數難以實現動態測量）或進口激光跟蹤儀價格昂貴等因素的限制，不能滿足企業對工業機器人高精度控制及低成本的要求。

隨著工業機器人應用越來越廣泛和國際競爭的加劇，自主掌握工業機器人的校準技術變得越來越迫切。該文在國家重點研發計劃“智能機器人”專項的支持下開展國產激光跟蹤儀用于工業機器人校準的研究及應用工作。

2 國產激光跟蹤儀介紹

國產激光跟蹤儀是基于球坐標系進行測量的，可對大型構件尺寸及形位誤差進行靜態測量，也可以對運動部件進行動態跟蹤測量。

當激光跟蹤儀工作時，由激光測距系統測量得到合作靶球到儀器的精確距離r，方位編碼器測角系統測出目標方位角A，俯仰編碼器測角系統測出俯仰角E，根據這3個原始測量值以及球坐標系與直角坐標系之間的轉換關系換算得到空間三維坐標（X，Y，Z），如圖2所示。

當合作靶球在空間移動時，從靶球返回的一部分光會進入激光跟蹤儀主機內的位置檢測器（Position Sensitive Detector，PSD），PSD會根據靶球的移動探測偏移值，跟蹤控制系統根據這個偏移值控制方位和俯仰電機轉動，直到偏移值為0，從而實現跟蹤的目標。

激光跟蹤測量的數據處理過程如下：首先，對測量組合參數（A，E，r） 進行坐標變換，獲得空間三維直角坐標（X，Y，Z）。其次，數據采集系統將測量數據上傳至上位機，經上位機軟件解析可以確定目標的三維坐標及動態軌跡等信息。最后，通過計算機實時顯示，還可以根據需要進行數據擬合及建立模型。

由中國科學院微電子研究所和海寧集成電路與先進制造研究院合作研制的三自由度激光跟蹤儀（型號為ICAM-LT-3DOF）和六自由度激光跟蹤儀（型號為ICAMLT-6DOF）突破了國外的技術壟斷。其中，ICAM-LT-3DOF的主要技術指標見表1。

表1 ICAM-LT-3DOF型激光跟蹤儀主要技術指標

六自由度激光跟蹤儀為三自由激光跟蹤儀的升級產品，ICAM-LT-6DOF六自由度激光跟蹤儀產品如圖3所示。

六自由度激光跟蹤儀在空間位置信息測量的基礎上加入了視覺測量、光電測量和慣性測量等模塊，可以獲取目標空間姿態信息。首先，建立激光跟蹤儀坐標系與上述測量模塊坐標系之間的轉換關系，并通過視覺測量中縱向投影比不變的約束測量橫滾角。其次，在上述基礎上，基于光束向量唯一性約束和激光準直傳感原理測量俯仰角和方位角。最后，測量3個空間姿態角。除此之外，還融入了慣性測量單元IMU的測量信息，用于動態條件下的輔助測量。ICAM-LT-6DOF型激光跟蹤儀的主要技術指標見表2。

表2 ICAM-LT-6DOF型激光跟蹤儀主要技術指標

3 國產激光跟蹤儀對工業機器人進行校準和檢測的方案

3.1 建立“手眼關系”

激光跟蹤測量系統與工業機器人兩者的有機結合就是給工業機器人裝上了“眼睛”。通過設計六自由度姿態測量靶標精確建立工業機器人末端坐標系與激光跟蹤儀坐標系形成的“手眼關系”，再用激光跟蹤儀直接測量，有效地解決了轉換精度受機器人運動學誤差影響的問題。工業機器人基于自身的坐標系控制運動，而激光跟蹤儀根據自己的坐標系獲取位姿信息，如果要機器人準確識別激光跟蹤儀發送來的位姿信息，就需要統一激光跟蹤儀坐標系和工業機器人坐標系。根據工業機器人正向運動學模型和激光跟蹤儀的直接測量，利用基于奇異值分解的配準方法求解轉換矩陣，高精度地建立工業機器人基坐標系。

3.2 工業機器人位姿誤差建模

工業機器人的實際應用場景復雜多樣，影響控制系統產生偏差的因素很多，實際工況下工業機器人的控制精度必定會降低。參數誤差和非線性殘差是工業機器人的控制誤差的主要誤差來源，見表3和表4。

表3 工業機器人參數誤差

表4 工業機器人非線性殘差

工業機器人運動模型通過4個參數（ai，αi，di+1和θi+1）來確定相鄰關節坐標系間的齊次變換矩陣（圖4），由此確定機器人相鄰關節坐標系間的轉換關系并對機器人進行位姿誤差補償。

工業機器人位姿誤差建模的具體過程如下：首先，建立合適的模型，把影響工業機器人精度的主要因素融入工業機器人的運動學模型中。其次，比較理論位姿與測量出的工業機器人末端實際位姿，得到工業機器人的位姿誤差。最后，通過辨識的方法獲得影響工業機器人精度的參數，再通過軟件的形式進行補償[3-5]，如圖5所示。

3.3 工業機器人校準與檢測流程

工業機器人校準與檢測方案主要包括ICAM-LT-6DOF激光跟蹤儀主機、六自由度靶標測頭、電控箱、精度校準以及性能檢測上位機軟件等部分。

六自由度靶標安裝于工業機器人末端，如圖6所示。其中，國產激光跟蹤儀通過六自由度姿態測量靶標完成工業機器人末端位置和姿態的精密測量工作；上位機軟件負責獲取激光跟蹤儀測量數據、創建工業機器人模型、校準工業機器人模型以及生成校準結果和檢測報告；電控箱負責同步軟件、工業機器人以及激光跟蹤儀，確保可以有序、自動地完成整個過程[6]。

工業機器人以六自由度為主，在理論上有f（a1,…,a6,d1,…，d6,α1,…,α6,θ1,…,θ6）=（x，y，z，α，β，γ），工業機器人與激光跟蹤儀“手眼關系”的標定包括以下步驟：1） 步驟一。將工業機器人和激光跟蹤儀系統視作一個新機器人系統，在新機器人末端安裝六自由度姿態測量靶標，結合D-H參數模型，將激光跟蹤儀坐標系作為新機器人末端坐標系。2） 步驟二。多次移動新機器人末端，獲取多組的新機器人軸轉角（θ1，...，θi）與新機器人末端位姿（x，y，z，α，β，γ）之間的對應關系以及海量原始位姿數據。3） 步驟三。根據新機器人末端位姿與新機器人結構參數關系，求解新機器人末端多次移動時，新機器人末端位姿的變化量，通過最小二乘法優化新機器人結構參數，并完成在線的補償工作，具體流程如圖7所示。

4 現場應用案例

在實驗室研究的基礎上，在實際工況條件下應用國產激光跟蹤儀工業機器人校準系統。

4.1 某公司工業機器人用于晶圓精密抓取校準

根據全尺寸晶圓精密抓取轉運機器人高精度校準需求，適配相應的參數，實現機器末端高精度空間位置測量的功能；研究先進機器人動力學參數辨識方法，并在該基礎上研究使其校準誤差/誤差帶最小的最優校準軌跡生成方法[7]。該應用解決了工業機器人末端實時坐標的測量問題[8]，為工業機器人實現全尺寸晶圓精密抓取提供了保障。

4.2 某公司工業機器人用于磨削、航天鉆孔及銑削等場景校準

針對工業機器人磨削、航天鉆孔及銑削等場景的高精度使用需求[9]（圖8），通過實時測量模塊實現國產激光跟蹤儀與自主開發的在線校準系統軟件實時通信的目標，并與工業機器人進行了聯調，可以對工業機器人位姿進行實時測量和反饋。

4.3 某研究單位工業機器人動態軌跡測量

針對工業機器人動態軌跡實時測量的需求，將六自由度姿態測量靶標安裝在工業機器人末端，實現了國產激光跟蹤儀對工業機器人進行動態軌跡測量的功能[10]。國產激光跟蹤儀可以有效地對工業機器人的運動姿態進行在線監控，為工程應用提供了高效便捷的手段。

5 結語

國產激光跟蹤儀用于工業機器人校準及性能測試已經過充分的驗證，取得了很好的使用效果。國產激光跟蹤儀實時采集工業機器人的位姿數據，然后根據運動模型推算需要補償的參數，形成閉環的反饋控制，提高工業機器人的控制精度，指導工業機器人高精度作業。國產激光跟蹤儀校準工業機器人技術的推廣將推進自動化行業的進步，對我國高端制造業的發展有顯著的促進作用。