賀惠農(nóng)，黃連生

(1.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2. 杭州億恒科技有限公司，浙江 杭州 310015)

工業(yè)機(jī)器人整機(jī)性能測試進(jìn)展

賀惠農(nóng)1，黃連生2

(1.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2. 杭州億恒科技有限公司，浙江 杭州 310015)

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無人工廠為特征的工業(yè)4.0基礎(chǔ)設(shè)備，我國已連續(xù)四年銷量全球第一.以工業(yè)機(jī)器人為核心的智能制造行業(yè)蓬勃發(fā)展，但國內(nèi)機(jī)器人檢測方法，以及相關(guān)的檢測設(shè)備的發(fā)展卻參差不齊.現(xiàn)就機(jī)器人整機(jī)性能檢測與校準(zhǔn)存在的問題、檢測技術(shù)與儀器的現(xiàn)狀、最新發(fā)展成果等進(jìn)行綜述.

工業(yè)機(jī)器人；位姿特性；坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；激光跟蹤儀；D-H模型

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無人工廠為特征的工業(yè)4.0基礎(chǔ)設(shè)備，2015年我國工業(yè)機(jī)器人銷售6.7萬臺，連續(xù)四年世界第一，其中百分之七十左右由外商制造.制約中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素包括:1)高端應(yīng)用研究起步較晚，研究不夠深入；2)減速器、電機(jī)、控制器、驅(qū)動器等核心零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口；3)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及相關(guān)檢測設(shè)備缺乏.針對標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)檢測設(shè)備缺乏的問題，全國質(zhì)量監(jiān)管重點(diǎn)產(chǎn)品檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會2015年10月30日在浙江杭州成立了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品檢驗(yàn)方法專業(yè)工作組，并同時啟動我國工業(yè)機(jī)器人檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，在2016年包括控制器、減速器、電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化評價(jià)的多個工作組開展了相關(guān)工作.針對檢測設(shè)備，科技部在2017國家重大專項(xiàng)中推出了“高速高精度電機(jī)性能綜合測試儀”、“工業(yè)機(jī)器人整機(jī)綜合性能測試儀”、“精密減速器高精度綜合性能檢測儀”三大專項(xiàng).

本文著重對工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)性能測試及標(biāo)定進(jìn)行述評.介紹工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)性能測試進(jìn)展，分析工業(yè)機(jī)器人的主要性能指標(biāo)、影響因素及其來源；評價(jià)工業(yè)機(jī)器人D-H模型及相應(yīng)的標(biāo)定技術(shù).

1 工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)性能測試

工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)性能測試，測試參考的標(biāo)準(zhǔn)主要是《ISO 9283-1998 操作型工業(yè)機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)和測試方法》，該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動性能的14項(xiàng)性能指標(biāo)及其計(jì)算方法.對于該標(biāo)準(zhǔn)我國分別在2001年等效采用推出了《GB/T 12642-2001 工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》[1]和2013年等同采用推出了《GB/T 12642-2013 工業(yè)機(jī)器人 性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》[2]，2013版相比2001版，主要是針對檢測技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步增加了推薦的機(jī)器人性能測量的不同方法.通過對工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的測試發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的動態(tài)振動特性對生產(chǎn)加工精度和機(jī)器人使用壽命有較大影響，美國標(biāo)準(zhǔn) 《ANSI RAP 15.05》[3]對振動測試進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定.

1.1 工業(yè)機(jī)器人的分類

實(shí)際上由于工業(yè)機(jī)器人類型眾多，各廠家技術(shù)差異較大，測試標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都是由廠家自由選做.不同機(jī)器人的運(yùn)動特點(diǎn)不同，行程、速度、軌跡、精度差異較大，對檢測設(shè)備方法有較大差異.按基本運(yùn)動定義分類[4]，工業(yè)機(jī)器人分為:

1)直角坐標(biāo)機(jī)器人 三個直線軸，運(yùn)動行程幾個cm到幾十米不等.小型的如點(diǎn)焊、點(diǎn)膠桌面機(jī)器人，每個軸10～60 cm的運(yùn)動行程，速度2 m/s以下每個軸的重復(fù)定位精度在0.01～ 0.04 mm之間.大型的如桁架機(jī)器人，行程可長達(dá)20 m，速度可達(dá)6 m/s，廣泛用于機(jī)床的上下料，重復(fù)定位精度可達(dá)0.02～0.05 mm.在我國數(shù)量眾多的機(jī)器人廠家中，絕大部分生產(chǎn)這類機(jī)器人，各項(xiàng)性能指標(biāo)與世界水平相當(dāng).

2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 一個旋轉(zhuǎn)軸，兩個直線軸.典型的圓柱坐標(biāo)機(jī)器人有用于沖床上下料的沖壓機(jī)器人，該類機(jī)器人運(yùn)動速度快.scara機(jī)器人是一種特殊的圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，scara系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在z軸方向具有良好的剛度.它依靠兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)X-Y平面內(nèi)的快速定位，依靠一個移動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在Z方向上做伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.這種結(jié)構(gòu)特性 使得scara機(jī)器人擅長從一點(diǎn)抓取物體，然后快速的安放到另一點(diǎn)，因此scara機(jī)器人在自動裝配生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用.

3)球坐標(biāo)機(jī)器人 一個直線軸，兩個旋轉(zhuǎn)軸，目前使用較少.

4)關(guān)節(jié)機(jī)器人 是最常見的工業(yè)機(jī)器人，目前主流的關(guān)節(jié)機(jī)器人有六個運(yùn)動軸，八軸的關(guān)節(jié)機(jī)器人也有少量產(chǎn)品推向市場，通過多個關(guān)節(jié)+軸的串聯(lián)形式，可以進(jìn)行空間的靈活運(yùn)動.目前關(guān)節(jié)機(jī)器人的負(fù)載從幾千克到幾百千克，速度一般2 m/s以下，位置重復(fù)精度從0.01 mm 到0.1 mm不等，姿態(tài)重復(fù)性各廠家都未標(biāo)注.

1.2 工業(yè)機(jī)器人的檢測要求

工業(yè)機(jī)器人整機(jī)性能測試，主要評估機(jī)器人在實(shí)際使用中的適用性能.從前文不難看出，運(yùn)動工業(yè)機(jī)器人檢測有以下特點(diǎn):

1)高精度 要求能測量0.01 mm的位置精度，對測量設(shè)備精度要求較高.

2)大范圍 即使不考慮幾十米的桁架機(jī)器人(可特殊方法測試)，運(yùn)動范圍也有幾米.

3)6維測量 機(jī)器人的運(yùn)動在三維空間，同時末端相對機(jī)器人坐標(biāo)會形成不同的姿態(tài)角.因此除了要檢測末端的位置，還要檢測末端的姿態(tài)角，目前各廠家對外公開的技術(shù)指標(biāo)都未標(biāo)注姿態(tài)精度.

4)便攜性 通常機(jī)器人本身重量幾十千克到幾百千克，在實(shí)際使用中必須安裝地腳固定，檢測又應(yīng)盡量符合實(shí)際工況，這就要求檢測設(shè)備要便于攜帶.

5)多坐標(biāo)系擬合 為了檢測工業(yè)機(jī)器人的絕對定位誤差，必須對機(jī)器人基座坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一.實(shí)際上機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)是通過多個軸的坐標(biāo)系統(tǒng)組成，各軸名義桿長、夾角等設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)存在誤差，導(dǎo)致不同位置下測量的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣不相同.

6)工程化 工業(yè)機(jī)器人性能受負(fù)載和速度兩個因素影響重大，速度可通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，但負(fù)載的加載必須整套測試裝置進(jìn)行工程化設(shè)置.

7)測試效率 GB/T 12642要求的測試項(xiàng)目包括14大項(xiàng)，很多項(xiàng)又要求10%、50%，100%三檔速度，50%，100%兩檔負(fù)載進(jìn)行測試，檢測過程復(fù)雜，數(shù)據(jù)多，對測試系統(tǒng)的測試流程應(yīng)不斷優(yōu)化.

8)測量精度、測量范圍、便攜性等要求主要取決于系統(tǒng)選用的硬件裝置.測試的精度、準(zhǔn)確度主要取決于系統(tǒng)的算法質(zhì)量.系統(tǒng)的工程化和測試效率主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的應(yīng)用集成優(yōu)化，軟件的測試流程優(yōu)化，如何實(shí)現(xiàn)操作的傻瓜化，結(jié)果的專家化.如圖1所示系統(tǒng)，對機(jī)器人的運(yùn)動要求逐項(xiàng)分解給出，測試時運(yùn)動速度、運(yùn)動位置圖形化表現(xiàn)，測試完成自動給出指標(biāo)結(jié)果.

圖1 億恒ARTS系統(tǒng)的性能測量軟件Figure 1 Performance measurement software in ARTS system of ECON company

1.3 工業(yè)機(jī)器人的測試進(jìn)展

目前國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)，主要對位置重復(fù)性指標(biāo)進(jìn)行檢測.小微型企業(yè)桌面機(jī)器人多用游標(biāo)卡尺分別對各軸進(jìn)行測試，人工記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，人為影響大，效率低.還有一些使用激光干涉儀進(jìn)行檢測，主要存在對光困難，人工記錄數(shù)據(jù)效率低下的問題.對關(guān)節(jié)機(jī)器人，目前主要的檢測方法有以下幾類:拉線式位移傳感器測試，相機(jī)跟蹤測試，超聲波測試，激光跟蹤儀測試(圖2).

圖2 工業(yè)機(jī)器人測量典型方法比較Figure 2 Comparison of typical methods for industrial robot measurement

1)拉線式位移傳感器測試 通過一套專用裝置作為基座，安裝多個拉線式位移傳感器，將拉線式位移傳感器掛接到機(jī)器人末端，通過位移的變化計(jì)算機(jī)器人的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際產(chǎn)品以美國Dynalog公司為代表，該公司本世紀(jì)初即推出該檢測系統(tǒng)，目前有多家生產(chǎn)企業(yè)采用該檢測方法.受限于目前拉線式位移傳感器的精度、安裝方式、長度限制，該方法精度較低、測量范圍有限.

2)相機(jī)跟蹤測試 該方法通過制作帶有特征點(diǎn)的目標(biāo)工裝，將目標(biāo)工裝安裝到機(jī)器人末端，通過雙目視覺記錄圖像數(shù)據(jù)，通過特征點(diǎn)的識別、分析從而計(jì)算機(jī)器人的各項(xiàng)性能指標(biāo).視覺誤差和識別誤差導(dǎo)致精度較低、分析數(shù)據(jù)量大是該方法的特點(diǎn).該方法在高校等機(jī)構(gòu)被廣泛研究，隨著高速相機(jī)性能和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的進(jìn)一步提升，該方法的實(shí)用性會得到顯著提升，該方法有加拿大NDI公司產(chǎn)品和尼康公司的Krypton K600/K610系列產(chǎn)品.

3)超聲測量法 通過三個超聲話筒實(shí)現(xiàn)距離的測試，從而計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可是在實(shí)際工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)測試中已較少使用.

4)激光跟蹤儀測試法 是近年發(fā)展起來的工業(yè)機(jī)器人性能測試方法，相比激光干涉儀，激光跟蹤儀具有對空間運(yùn)動進(jìn)行跟蹤的功能，從而滿足空間測量的需求.該方法具備了激光測距的高精度和大范圍，同時又使用方便，攜帶便利.在國家機(jī)器人評定中心和各省級質(zhì)檢計(jì)量單位對機(jī)器人性能測試系統(tǒng)的招標(biāo)中，多以激光跟蹤儀為標(biāo)的進(jìn)行招標(biāo)，同時有工業(yè)機(jī)器人四大家族之稱的ABB、發(fā)那科、安川、庫卡的測試系統(tǒng)也是基于激光跟蹤儀作為他們的高精度測試設(shè)備.

一套典型的激光跟蹤儀測試系統(tǒng)組成如下:激光跟蹤儀、靶標(biāo)、計(jì)算機(jī)及相關(guān)分析軟件，測試系統(tǒng)圖如圖3.

圖3 激光跟蹤儀測量典型系統(tǒng)Figure 3 A typical system based on laser tracker

激光跟蹤儀測量精度高、測量范圍寬、處理效率高因此得到了較廣泛的應(yīng)用，但典型的激光跟蹤儀并不直接支持6維測量，目前主要有三種方法實(shí)現(xiàn)6維測量.

1)多靶球方案 通過在末端安裝多個靶球，通過對多個不在一條直線靶球的空間位置輪轉(zhuǎn)測量，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的測量.這種方法測量精度較高，但它的測量效率較低，無法支持動態(tài)6維測量.

2)激光跟蹤儀+視覺測量 通過對靶球改造，增加LED特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)6維靶球，對多LED進(jìn)行位置關(guān)系標(biāo)定.對激光跟蹤儀進(jìn)行改造，增加高速拍照裝置，實(shí)現(xiàn)對LED的動態(tài)位置測量，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測量的策略.這種方法實(shí)現(xiàn)動態(tài)姿態(tài)測量，測量效率較高，但目前精度偏低.

3)激光跟蹤+高精度慣導(dǎo)裝置 杭州億恒科技有限公司將激光跟蹤技術(shù)和高精度慣導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，集成激光靶球和高精度慣導(dǎo)裝置，解決了相關(guān)的多傳感器時間同步、跟蹤儀與姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)融合算法等問題，開發(fā)了6自由度測量靶標(biāo)(圖4)，實(shí)時同時對位置和姿態(tài)的動態(tài)測量.該方法實(shí)現(xiàn)動態(tài)姿態(tài)測量，測量效率和精度較高.

圖4 6-DOF 測量靶標(biāo)的方案Figure 4 Scheme for 6-DOF target measuring

億恒科技在解決6維動態(tài)測量的難題之后，推出基于激光跟蹤儀和振動測量儀一體的工業(yè)機(jī)器人測試系統(tǒng)-ARTS系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅能全面完成GB/T 12642的14項(xiàng)性能指標(biāo)測試，同時能滿足 ANSI RIA 15.05 R1999的振動特性測試需求，更能同時完成工業(yè)機(jī)器人的動態(tài)結(jié)構(gòu)特性測試，代表了當(dāng)前機(jī)器人整機(jī)性能測試的最前沿水平.該系統(tǒng)針對不同坐標(biāo)系統(tǒng)的特征，針對性的進(jìn)行測試參數(shù)和流程優(yōu)化，從而大幅度提升了測試效率.

2 工業(yè)機(jī)器人主要性能指標(biāo)及其誤差

工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)包括以下位姿特性、軌跡特性、最小穩(wěn)定時間、靜態(tài)柔順性4類指標(biāo).在工業(yè)機(jī)器人廠家公開的產(chǎn)品手冊上，目前主要標(biāo)注的指標(biāo)包括負(fù)載、重復(fù)定位精度、軸運(yùn)動速度、臂展工作范圍等指標(biāo)，遠(yuǎn)少于標(biāo)準(zhǔn)描述的指標(biāo)項(xiàng)數(shù).主要原因有以下兩點(diǎn):1)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景多用于對精度要求不高的上下料、搬運(yùn)等對精度要求不太高的場合，以示教編程編程模式為主，只要機(jī)器人重復(fù)定位精度能滿足要求即可.2)全面測試各項(xiàng)指標(biāo)需要檢測設(shè)備支持，之前市場上能全面支持這些指標(biāo)測試的檢測設(shè)備缺乏.

2.1 位姿特性

位姿特性包括位姿準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性、多方向位姿準(zhǔn)確度、距離準(zhǔn)確度、距離重復(fù)性、位置穩(wěn)定時間、位置超調(diào)量、互換性.

位姿準(zhǔn)確度、多方向位姿準(zhǔn)確度、距離準(zhǔn)確度三個指標(biāo)反映機(jī)器人的絕對定位精度性能，一般而言，機(jī)器人的重復(fù)定位精度可達(dá)0.01～0.1 mm，但機(jī)器人的絕對定位精度從幾mm到幾十mm.絕對定位精度主要取決于以下個原因:1)內(nèi)部控制分辨率；2)坐標(biāo)變換誤差；3)關(guān)節(jié)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸與機(jī)器人控制系統(tǒng)所用的模型尺寸間的差異.絕對定位精度在示教編程工作模式下采用錄制-回放的工作模式，絕對定位精度并不影響產(chǎn)品的加工精度.

位姿重復(fù)性、距離重復(fù)性是表征機(jī)器人重復(fù)工作的能力與確保生產(chǎn)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，是機(jī)器人的核心性能指標(biāo).位姿重復(fù)性包括位置重復(fù)性和姿態(tài)重復(fù)性:位置是指機(jī)器人工具坐中心點(diǎn)(TCP)相對機(jī)器人基座坐標(biāo)的空間坐標(biāo)，一般用x,y,z表示.姿態(tài)是把工具作為一個剛體，相對基座坐標(biāo)系的空間關(guān)系，通常用三個角度a、b、c表示.實(shí)際了解下來，不同廠家對姿態(tài)的表示方法并不一致，有歐拉角表示法、四元數(shù)表示法、T6陣表示法.重復(fù)性指標(biāo)主要有機(jī)械缺陷細(xì)微缺陷，如間隙、滯回、摩擦及外部條件如溫度等的影響.

位置穩(wěn)定時間、位置超調(diào)量是指TCP到達(dá)指定位姿前的震蕩過程，兩個指標(biāo)反映了振蕩的幅值和持續(xù)時間，體現(xiàn)了機(jī)器人到達(dá)指定姿態(tài)的精度和速度指標(biāo).他們的性能指標(biāo)差異體現(xiàn)了控制器、電機(jī)、減速機(jī)之間的部件性能和剛度及其配合度.圖5和圖6是實(shí)際測試的同一臺桌面機(jī)器人的兩個不同軸的超調(diào)量和穩(wěn)定時間的對比圖.

圖5 X軸的超調(diào)量和穩(wěn)定時間Figure 5 Overshoot and stabilization time of X-axis

圖6 Z軸的超調(diào)量和穩(wěn)定時間Figure 6 Overshoot and stabilization time of Z-axis

2.2 軌跡特性

位姿特性體現(xiàn)機(jī)器人到達(dá)指定位姿的準(zhǔn)確度和重復(fù)性能力，體現(xiàn)的是一種靜態(tài)特性.軌跡特性體現(xiàn)沿指令軌跡運(yùn)動的準(zhǔn)確度和重復(fù)性能力，是一種動態(tài)特性.軌跡特性包括軌跡準(zhǔn)確度、軌跡重復(fù)性、重復(fù)定向軌跡準(zhǔn)確度、拐角偏差、圓角誤差、拐角超調(diào).在標(biāo)準(zhǔn)推薦的軌跡特性檢測中，通過若干個特征點(diǎn)的指令位姿和實(shí)際位姿的比較來檢測，主要難點(diǎn)有以下兩點(diǎn).

1)檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出率不能太低:目前激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)輸出率一般為500～1 000 Hz. 如果機(jī)器人運(yùn)動速度1 m/s或更大，則測量點(diǎn)間隔1 mm或更大，與機(jī)器人的軌跡重復(fù)性誤差0.5 mm以下相比分辨率不足，需要通過數(shù)據(jù)插值的方法進(jìn)行檢測，否則會帶來的分析誤差.

2)軌跡下的姿態(tài)測量問題，由于常規(guī)的激光跟蹤儀只有一路激光，靜態(tài)姿態(tài)時可以通過多靶球自動切換方式實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測量，但動態(tài)時無法用此方法實(shí)現(xiàn).目前姿態(tài)的測量用以下兩種方法實(shí)現(xiàn):①基于小孔成像的主動靶標(biāo)，如Leica的T-Mac.②基于光纖導(dǎo)航的主動靶標(biāo)，如億恒科技的ARTS系統(tǒng).基于光纖導(dǎo)航的姿態(tài)測量具有精度高、數(shù)據(jù)輸出率高的優(yōu)勢.

2.3 其它特性

最小定位時間實(shí)際上只是一個測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方式，靜態(tài)柔順性增加一套加載裝置進(jìn)行靜態(tài)力加載，這里不贅述.

3 機(jī)器人標(biāo)定進(jìn)展介紹

GB/T12642要求，進(jìn)行整機(jī)性能測試的機(jī)器人應(yīng)經(jīng)過廠家規(guī)定的校準(zhǔn)，即該機(jī)器人已達(dá)廠家所能調(diào)整的最佳性能.

通常工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)性定位精度很好，0.01～0.5 mm，但絕對定位精度較差，標(biāo)定前絕對誤差1 mm到30多mm都有可能.對機(jī)器人結(jié)構(gòu)的標(biāo)定方法很多，如基于運(yùn)動模型和非運(yùn)動模型的標(biāo)定[5].標(biāo)定過程一般分為建模、測量、參數(shù)辨識和補(bǔ)償4 步[6]，依據(jù)模型中標(biāo)定參數(shù)類型的不同，機(jī)器人標(biāo)定通?？梢詣澐譃殛P(guān)節(jié)標(biāo)定(Level1)、運(yùn)動學(xué)標(biāo)定(Level 2)和非運(yùn)動學(xué)標(biāo)定(Level3)3 個級別[7].運(yùn)動學(xué)標(biāo)定的研究已經(jīng)比較成熟，最經(jīng)典的運(yùn)動學(xué)模型是DH(Denavit-Hartenberg)模型[8].由于經(jīng)典DH模型在在相鄰兩個關(guān)節(jié)公稱平行，而實(shí)際有微小偏差時，可能引起很大的桿件偏移量誤差，然而采用修正的5參數(shù)的MDH模型[9-10]作為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，即能很好地解決這些問題.非運(yùn)動學(xué)標(biāo)定的研究則相對較少[11-13].

在標(biāo)定的過程中測量手段是一個極其重要的因素. 國外從1980 年代就開始了在這方面的研究工作并形成了多種測量方法[1-8]. 用于機(jī)器人動態(tài)精度標(biāo)定的系統(tǒng)主要有激光跟蹤系統(tǒng)、CCD交互測量系統(tǒng)、超聲波測量系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)和帶有接近傳感器的測量系統(tǒng)[14]，傳統(tǒng)上成本高、 測試方法繁瑣是這些測量系統(tǒng)存在的主要問題而制約了它們的普遍使用.近年隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求擴(kuò)張，兩個方面的問題都得到極大改善，前文提到的NDI、尼康、杭州億恒都有實(shí)際產(chǎn)品得到了工業(yè)應(yīng)用.與典型的機(jī)器人校準(zhǔn)研究不同，測試和標(biāo)定系統(tǒng)獲得工業(yè)應(yīng)用的主要要求是有更高的適應(yīng)性，能被一般的一線人員便利使用，測試效率要高.

以杭州億恒的基于激光跟蹤儀的ARTS系統(tǒng)為例，在運(yùn)動模型的建立時，支持運(yùn)動模型的用戶自定義，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的適應(yīng)性，系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)定義的模型進(jìn)行運(yùn)動求解，通過圖形化和勾選的組合操作完成定義.通過模型與操作分離，預(yù)建坐標(biāo)映射關(guān)系提升一線人員的使用簡便性和提升測試效率，一線人員可一鍵完成標(biāo)定，圖7是基于激光跟蹤儀的校準(zhǔn)結(jié)果界面圖.圖8和圖9分別是針對兩家公司性能不同的機(jī)器人的校準(zhǔn)前后的絕對精度對比。兩個機(jī)器人校準(zhǔn)前后絕對定位精度的最大值、平均值和均方根，如表1.

圖7 基于激光跟蹤儀的校準(zhǔn)結(jié)果圖Figure 7 Calibration results based on laser tracker

圖8 機(jī)器人1的校準(zhǔn)前后絕對精度比對Figure 8 Comparison of absolute accuracy before and after calibration for robot 1

圖9 機(jī)器人2的校準(zhǔn)前后絕對精度比對Figure 9 Comparison of absolute accuracy before and after calibration for robot 2

表1 校準(zhǔn)前后絕對精度對比

從數(shù)據(jù)分析，圖8的絕對定位精度遠(yuǎn)比圖9好，這是因?yàn)榻^對定位精度主要由DH參數(shù)、關(guān)節(jié)及連桿變形等誤差造成.也是兩家在機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)加工精度的管控方面經(jīng)驗(yàn)差異，各參數(shù)對精度影響理解不同導(dǎo)致.該比對試驗(yàn)也驗(yàn)證了ARTS系統(tǒng)的標(biāo)定適應(yīng)性廣，確實(shí)能提升機(jī)器人的絕對定位精度.

4 結(jié) 語

通過對機(jī)器人建立統(tǒng)一的測試方法，有利于對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行有效評估，是推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的保證.通過對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，能大幅度提升工業(yè)機(jī)器人的絕對定位精度.測試表明該方法可以將絕對定位精度提升1個數(shù)量級，主流廠商機(jī)器人出廠前都要對其機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，滿足各廠家對絕對定位精度的精度要求.

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 12642-2001工業(yè)機(jī)器人-性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004. AQSIQ. GB/T 12642-2001 Industrial robots-Performance criteria and related test methods[S]. Beijing: Standards Press of China,2004.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 12642-2013工業(yè)機(jī)器人-性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014. AQSIQ. GB/T 12642-2013 Industrial robots-Performance criteria and related test methods[S]. Beijing: Standards Press of China,2014.

[3] Robotic Industries Association. ANSI RIA 15.05 R1999 Industrial robots and robot systems-path-related and dynamic performance characteristics-evaluation[S]. New York: Americcan National Standards Institute,1992.

[4] 付京遜.機(jī)器人學(xué)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1989:1-2.

[5] ELATTA A Y，LI P G，F(xiàn)AN L Z，et al.An overview of robot calibration techniques [J]. Information Technology Journal,2004,3(1):74-78.

[6] MOORING B W, ROTH Z S, DRIELS M R. Fundamentals of Manipulator Calibration[M]. New York, USA: Wiley,1991:18-21.

[7] ROTH Z S, MOORING B W, RAVANI B. An overview of robot calibration[J]. IEEE Journal of Robotics and Automation,1987,3(5):377-385.

[8] 劉志,趙正大,謝穎,等.考慮結(jié)構(gòu)變形的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定及補(bǔ)償[J].機(jī)器人,2015,37(3):376-384. LIU Z, ZHAO Z D, XIE Y, et al. Kinematic calibration and compensation for a robot with structural deformation[J]. Robot,2015,37(3):376-384.

[9] ZIEGERT J，DATSERIS P.Basic consideration for robot calibration[C]// Proceedings of the 1998 IEEE Intemational Conference on Robotic and Automation.Pennsylvania: IEEE Xplore,1998:932-938.

[10] 蔡鶴皋,張超群,吳偉國.機(jī)器人實(shí)際幾何參數(shù)識別與仿真[J].中國機(jī)械工程,1998,9(10):11-14. CAI H G, ZHANG C Q, WU W G. Identification and simulation of actual geometric parameters of robot[J]. China Mechanical Engineering,1998,9(10):11-14.

[11] DUMAS C, CARO S, CHERIF M, et al. Joint stiffness identification of industrial serial robots[J]. Robotica,2012,30(4):649-659.

[12] MEGGIOLARO M A, DUBOWSKY S, MAVROIDIS C. Geometric and elastic error calibration of a high accuracy patient positioning system[J].Mechanism and Machine Theory,2005,40(4):415-427.

[13] LIGHTCAP C, HAMNER S, SCHMITZ T, et al. Improved positioning accuracy of the PA10-6CE robot with geometric and flexibility calibration[J]. IEEE Transactions on Robotics,2008,24(2):452-456.

[14] 劉振宇,陳英林,曲道奎,等.機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)研究[J].機(jī)器人,2002,24(5):447-450. LIU Z Y, CHEN Y L, QU D K,et al. Reasearch on robot calibration[J].Robot,2002,24(5):447-450.

Progress in the performance test of industrial robots

HE Huinong1, HUANG Liansheng2

(1.College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2.Hangzhou Econ Technologies Co.Ltd., Hangzhou 310015, China)

The industrial robot is a basic equipment of Industry 4.0. The robot production of China has led the world for four consecutive years. The intelligent manufacturing industy based on industial robots has developed rapidly, but current efforts on standardization are not sufficient. The testing equipment and methods are different. Thus, it is an important issue to unify the standard and the method of robot evaluation. In this paper, we summarized the development of detection technology for robots.

industrial robot; position and orientation characteristics; coordinate transformation; laser tracker; D-H model

2096-2835(2017)02-0133-08

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.02.001

2017-04-01 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

賀惠農(nóng)(1965-),男，浙江省蘭溪人，副研究員，主要研究方向?yàn)檎駝訙y試和控制、工業(yè)機(jī)器人檢測與校準(zhǔn). E-mail：huinonghe@econ-group.com

TP242.2

A