机器人柔性坐标测量系统现场校准技术研究

机器人柔性坐标测量系统现场校准技术研究

田华

宁夏计量测试院宁夏银川750200

摘要：机器人柔性坐标测量系统可实现大工件尺寸的在线大测量。是自动化生产线的关键质量监控设备。现场标定技术是柔性坐标测量系统的关键技术之一，标定精度直接影响系统的测量精度。手眼关系、机器人运动学模型参数和机器人坐标系是现场标定的主要内容。通过对中介目标的设计、手眼关系激光跟踪仪测量方法，转换精度不受运动误差影响；校准领域的建立，基于不变的距离测量的现场标定模型链接参数；根据机器人的运动学正解和激光跟踪仪的动力学模型，应用奇异值分解法求解基于机器人基坐标系的高精度矩阵转移登记。激光跟踪仪标定后，可以利用测量系统实现机器人参考球的快速在线标定，减小模型参数对系统测量精度的影响。实验结果表明，标定系统的整体误差小于0.2mm。

关键词：工业机器人；视觉测量；现场校准；手眼关系；奇异值分解；基准球

前言

工业机器人柔性坐标测量系统的优势相结合的快速、非接触、视觉测量、基于柔性机器人自动化，实现大型工件100%工业现场的在线实时测量，已成为一个关键设备大型工件自动生产线和生产过程监控。柔性坐标测量系统采用一个或多个机器人，并在关节末端安装视觉传感器，并结合测量、控制和数据管理软件。

测量是建立在机器人运动学模型和计算机控制下的传感器模型的基础上的。结构复杂的测量系统，链节的大小，影响测量精度的因素很多，且彼此相关，其中最难控制的系统的精度，主要原因如下：

（1）机器人是由多个手臂和关节，是一种自由的结构多机，运动学模型是由许多参数的加工和装配，环境的影响，机械变形误差，有一个与理论值偏差大，使用的参数会发生变化，和机器人定位精度水平不高；

（2）在工业现场建立高精度的机器人基坐标系与工件坐标系之间的坐标变换关系（以下称为机器人的外部姿态）非常困难；

（3）简单的手眼标定引入了带有误差的机器人运动学模型，降低了手眼关系的校准精度。

1手眼关系的建立

手眼关系是机器人末端凸缘坐标系（工具坐标系）与视觉传感器坐标系之间的过渡关系。由于视觉传感器坐标系不能直接测量，手眼关系标定必须借助于辅助手段。测量系统用来测量一个（多个姿势）或多个已知的空间点，当机器人的运动模型和参数已知时，可以计算出眼睛的关系。该方法比较简单，但标定结果包括机器人运动模型误差，精度难以提高。

为了建立高精度的手眼关系，提出了一种中间目标方法。同时测量了中间目标视觉传感器和激光跟踪仪，建立了传感器坐标与跟踪器坐标系之间的转换关系，建立了机器人端部坐标与坐标的关系。该方法不依赖于机器人运动学模型，不将模型误差引入到标定结果中，从而保证了标定精度。

首先设计了中间目标，建立了目标坐标系。目标是一个平坦的衬底，在9个小球体，另一侧是4个激光跟踪仪靶标磁座。在建立目标坐标系前进行标定，并用三坐标测量机精确测量靶坐标中的球体中心和靶磁铁。当校准视觉传感器测量9个小球的目标坐标（在传感器坐标系），视觉传感器对目标的激光跟踪仪目标Tst磁座坐标之间的转换，建立了激光跟踪仪坐标系统之间的转换和目标的Ttl，传感器坐标系和跟踪坐标系统之间的关系可设置。然后使用激光跟踪仪测量机器人末端凸缘，建立激光跟踪仪坐标系到机器人凸缘坐标系的转换关系Tlr，视觉传感器坐标系与末端凸缘坐标系的转换关系为：

Tsr=TlrXTtlXTst

整个标定过程不使用机器人运动学模型，都依靠高精度的激光跟踪仪，保证手眼关系标定的准确性。

2工业机器人的工作原理及分类

2.1工作原理

工业机器人是将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，通过编程输入预先设定的机械手动作，机器人系统就可以离开人的辅助而独立运行。此外，机器人能够根据制造业的生产需求及相关要求提前将操作程序设置好，随后机器人按照事先设置好的操作程序进行作业。一般情况下，工业操作机器人的整个操作流程环节由闭环系统、机器人本体、运动控制器、传感器、伺服驱动器等几个模块协同操作完成。在工厂最常见的工业机器人多为关节型机械结构，而且每一个关节均可以视为独立的控制电机，然后由计算机控制功率，将电路放大，从而实现对工业机器人的有效控制，完成一系列的工业生产操作。

2.2分类

按工业机器人产业化发展时间可以将其分为3大类：

（1）示教再现工业机器人（第一代工业机器人）。这类工业机器人的构成部件主要有机器人本体、示教盒、运动控制器。其中示教盒主要负责编程和保存信息；运动控制器在运动状态下可以充分地发挥作用，实现对程序的解析，指导机器人本体完成相应的工业生产动作。

（2）离线编程工业机器人（第二代工业机器人）。这类工业机器人采用离线式计算机模型仿真技术，首先建立实体模型，利用正逆解算法实现对实体模型的操作控制；同时，构建相应的运行路径规划，实现三维动画仿真；最后，在检验无误的状态下通过离线编程，指导机器人本体完成相应的工业生产动作。

（3）智能工业机器人（第三代工业机器人）。这类工业机器人融合了第一代、第二代工业机器人的优势，在能力上更胜一筹，不仅拥有较强的感觉能力，而且具备独立判断、记忆、决策能力，对提升工业生产效率及质量具有重要的指导意义。同时，这类工业机器人能够利用传感器及时获取外部信息，并进行相应的信息处理、反馈。

3工业机器人的发展趋势

3.1国际发展趋势

全球工业机器人数量呈递增态势，应用广泛，市场前景较好。据统计，全世界的工业机器人数量已达到230多万台，其中亚洲增长速度最为突出。工业机器人正朝着精密化、智能化、微型化方向发展，广泛应用于农业、建筑、医学、军事等各大领域。实践证明，工业机器人在完成复杂的作业要求、提高自动化水平和经济效益等方面发挥举足轻重的作用。

3.2国内发展趋势

我国工业机器人已得到长足发展，接下来将在多数领域实现数字化和智能化，加快与国际接轨，实现智能制造，逐步走向产业化，向制造业强国迈进。机器人面对复杂的外界环境，需要具有较强的环境适应性和感知能力。在无人控制的情况下，机器人需要具有自主控制能力。在一些领域将实现人机交互，提升机器人完成复杂作业的能力。工业机器人属于高新技术领域，虽然我国制造业发展迅速，取得了多项科技成果，但是存在市场秩序混乱、创新设计不足等不足，怎样能抓住这一机遇，形成集成产业链，实现产业化发展，仍值得我们思考。未来，我国需要加强政策引导，以市场为导向，围绕客户需求，增强创新能力，提高国际竞争力。

结语：

随着工业机器人领域的不断成熟，机器人应用越来越广泛，为实现生产制造智能化、精密化做出巨大贡献。工业机器人拥有着广泛的应用前景和巨大的市场潜力，迎来了前所未有的竞争压力和挑战。整体而言，我国工业自动化水平与国外相比处于较低地位，需要根据当前国情，利用自己的优势进行技术改进和突破，努力缩短与国际水平的差距，相信在未来几年内将进入工业机器人新时代。

参考文献：

[1]李宇剑巢明.我国工业机器人产业现状与发展战略探讨[J].制造业自动化，2012（12）

[2]骆敏舟方健赵江海.工业机器人的技术发展及其应用[J].机械制造与自动化，2015（1）