(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

0 序 言

近年來工業(yè)機器人技術得到了快速的發(fā)展，其應用領域不斷擴大。在焊接產(chǎn)品的加工中，采用機器人進行焊接在提高焊接生產(chǎn)效率、保證焊接質量、提高焊接生產(chǎn)柔性自動化等方面顯示了無可比擬的優(yōu)勢，已逐漸取代了傳統(tǒng)的人工焊接。而機器人定位精度是影響焊接機器人性能的重要因素，因此對焊接機器人系統(tǒng)進行標定是提高機器人定位精度、提升焊接質量的必然要求[1]。機器人定位精度包含兩個重要指標：一個是機器人的絕對定位精度，它是指機器人到達某空間點的能力；另一個是機器人的重復定位精度，它是指機器人在示教某個空間點以后，重復到達該點的能力[2]。對于采用示教再現(xiàn)方式工作的焊接機器人而言，每次進行焊接之前，需要對焊點位置進行示教，記錄當前的焊點信息，此時影響機器人定位精度的主要因素變?yōu)榱藱C器人的重復定位精度。一般而言，機器人的重復定位精度較高，能達到±0.05 mm左右。有的機器人在工作前需要進行離線編程，對于這類機器人而言，由于虛擬工作環(huán)境和真實工作環(huán)境存在偏差，因此機器人的絕對定位精度成為影響焊接機器人定位精度的主要因素，一般來說機器人的絕對定位精度很低，有的甚至可達厘米數(shù)量級誤差，在進行正常工作之前需要進行相應的標定來提高其精度[3]。

對于焊接機器人系統(tǒng)標定技術的研究，國內外眾多學者已經(jīng)開展了大量的工作，其研究方向主要有以下幾個方面：焊接機器人本體標定，機器人工具坐標系標定，工件坐標系標定以及機器人協(xié)作系統(tǒng)的標定[4]。文中對以上標定技術展開綜述，從標定原理以及詳細的標定方法進行介紹，通過對各種標定方法的研究，比較各標定方法的優(yōu)缺點，希望能為以后焊接機器人系統(tǒng)標定技術的研究提供一些理論參考，促進焊接機器人的智能化水平。

1 機器人本體標定

焊接機器人離線編程技術對一些復雜焊接產(chǎn)品的加工提供了良好的解決方案，在機器人離線編程軟件中，可以事先對復雜工件三維模型進行焊接路徑的規(guī)劃和優(yōu)化，避免碰撞的發(fā)生。但離線編程系統(tǒng)中的仿真模型和實際機器人工作環(huán)境存在一定誤差，因此需要對焊接機器人進行本體標定。機器人本體標定也稱為機器人連桿參數(shù)標定，它是通過對機器人姿態(tài)的測量，計算其誤差，利用一些特定算法對誤差進行補償來提高焊接機器人本體精度的過程[5]。其標定方法一般包括四個步驟：①運動學建模；②數(shù)據(jù)測量；③參數(shù)辨識；④誤差補償。

1.1 運動學建模

運動學模型是描述機器人關節(jié)位置與末端執(zhí)行器位置和方向之間的解析關系[6]。最經(jīng)典的運動學模型是D-H模型[7]，該模型的基本思路是給機器人的每個關節(jié)指定一個特定的參考坐標系，然后通過連桿間的齊次矩陣變換聯(lián)系起來，它創(chuàng)立了對機器人連桿和關節(jié)建模的新方法，可用于任何的機器人構型，但當相鄰兩軸平行時模型存在奇異性，導致參數(shù)不太容易辨識。在D-H模型思想的影響下，眾多學者為了克服上述弊端，對機器人運動學模型進行了深入的研究。比較有代表性的是Stone[8]提出的S模型，他的基本思想是在標準D-H參數(shù)法的基礎上，為了避免奇異性，他在原有DH模型前乘以相應的矩陣分別用來表示旋轉和平移，較好的解決了D-H模型的弊端。Sheth[9]提出了一種形狀矩陣模型，該模型可以將坐標系設定在連桿上的任意位置，容易應用到機器人上。

1.2 數(shù)據(jù)測量

在機器人標定的過程中，需要對機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)進行測量，測量手段以及測量設備的選擇非常重要，測量設備精度的高低和使用條件的不同將直接影響測量結果的準確性，進而對焊接機器人本體標定結果的準確性產(chǎn)生影響[10]。目前用于機器人連桿姿態(tài)測量的方式主要有兩種類型，一種是借助外部精密的設備來測量，其主要應用設備的優(yōu)缺點如表1所示[11-12]。

表1 測量設備優(yōu)缺點

此類測量方式的原理是通過一些位置傳感器來獲取機器人末端執(zhí)行器的位姿信息，圖1所示的是利用激光跟蹤儀來測量機器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)信息，它利用接收由固定在機器人末端上的靶球反射過來的激光束，通過自帶的計算軟件來獲得機器人末端姿態(tài)信息。

圖1 激光跟蹤儀測量機器人精度

另一類測量方式是借助機器人本身傳感器而不需要外部設備的簡單標定方法，此類方法可以大大節(jié)省標定成本，使用起來比較方便，對操作者要求較低，可應用于現(xiàn)場。比較典型的是劉振宇等人[13]提出的利用一種凹槽球面接觸裝置，來測量機器人末端連桿參數(shù)的簡易標定方法，其測量裝置如圖2所示。圖中A和B部分的凹槽均與中間的圓球同心，且半徑均為r。將A部分固定在機器人末端執(zhí)行器上，其機器人的中軸線與機器人第6軸軸線重合。操作機器人以不同的姿態(tài)讓A部分緊密地靠在置于固定位置的圓球上，分別記錄機器人此刻的位置，重復多次試驗，就可以求出所測量的誤差。

1.3 參數(shù)辨識

參數(shù)辨識的目的是根據(jù)前面所述對機器人關節(jié)的數(shù)據(jù)測量值來計算機器人運動學的模型參數(shù)[14]。最小二乘法作為常見的數(shù)學優(yōu)化算法被廣泛應用于機器人連桿參數(shù)的辨識中，但這種計算方法有其不可避免的弊端，計算量會隨著未知參數(shù)的增大而成倍增大，計算起來較為困難。除此方法以外，很多學者也研究一些不同的參數(shù)辨識方法，例如Omodei等人[15]基于位姿匹配原理，采用了一種擴展卡爾曼濾波法對5自由度的機器人幾何參數(shù)進行了精確辨識；有些學者還對提高參數(shù)辨識的效率進行了相關的研究，這些研究都為機器人誤差參數(shù)的辨識提供了理論基礎[16-17]。

圖2 機器人本體標定簡易測量裝置

1.4 誤差補償

當對機器人連桿姿態(tài)進行數(shù)據(jù)測量以及誤差辨識以后，接下來要做的就是誤差補償，它通過修正機器人關節(jié)變量來對機器人的位姿誤差進行補償，實現(xiàn)機器人本體標定的目的[18]。目前對機器人誤差進行補償?shù)姆椒ㄖ饕袃深?，一類是基于模型的方法；另一類是姿態(tài)插補方法。比較先進的一種基于模型的誤差補償法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡的實時誤差補償，它通過對神經(jīng)元網(wǎng)絡進行機器人誤差相關的訓練，得到機器人誤差源的作用規(guī)律，提高了誤差補償?shù)膶崟r性[19-20]。

2 工具坐標系標定

焊接機器人在進行焊接任務之前，需要在機器人末端法蘭盤上安裝不同規(guī)格的焊槍，因此需要對工具坐標系進行標定，然后將焊槍坐標信息輸送到機器人控制柜中，才能準確的控制焊槍的運動。機器人坐標系關系如圖3所示，圖3中{G}為焊接機器人基坐標系；{E}為機器人末端法蘭中心坐標系；{T}為焊槍坐標系。

(1)

圖3 工具坐標系標定關系

目前常用的工具標定方法主要有兩種：一種是外部基準法，如ABB弧焊機器人利用BullEyes系統(tǒng)進行工具坐標系的自動標定。宋月娥等人[21]利用標準標定塊實現(xiàn)了工具坐標系的標定，該方法首先需要列出工具坐標系相對于基坐標系的位姿矩陣，然后通過示教機器人到標準塊上的點列出等式，從而得到工具參數(shù)；另一種是多點標定法，比如四點標定法、五點標定法以及六點標定法等，其主要思想是操作機器人使其工具中心點以多種不同的姿態(tài)去接觸標定桿的頂點，通過機器人示教器讀取相關參數(shù)，利用相關的軟件平臺如CODESYS進行計算，從而實現(xiàn)工具坐標系的標定。如圖4所示的采用六點標點法的工具坐標系標定過程。在工作臺上豎直放置一端帶有尖點的標定桿，手動操縱機器人分別用四種不同的姿態(tài)使焊槍靠上標定桿的頂點并在示教器中記錄下每個姿態(tài)的信息。操縱機器人使焊槍以姿態(tài)4的形式從固定點沿標定桿的+X方向移動一段距離到達姿態(tài)5，用示教器記錄下姿態(tài)5的位置信息，然后操縱機器人先回到姿態(tài)4(即焊槍垂直靠上標定桿的位置)，再從固定點沿標定桿的+Z方向移動一段距離到達姿態(tài)6，記錄此時的位置，標定完成。

圖4 六點標定法標定過程

3 工件坐標系標定

在焊接機器人離線編程系統(tǒng)中，為了準確、快速完成一批工件的焊接任務，需要對工件坐標系進行標定[22]。目前常見的標定方法主要有兩種，一種是借助一些昂貴的設備如激光跟蹤儀、坐標測量儀等進行準確的測定，但費用較高，操作繁瑣；另一種方法是不需借助昂貴設備的快速標定法，主要有幾下幾種：清華大學的張文增等人[23]提出了一種借助機器人自身編碼器數(shù)據(jù)和坐標變換關系的快速標定工件坐標系的方法，該方法只需要通過示教不共線的三個點，通過所對應的機器人自身編碼器的數(shù)值進行相應的求解，來實現(xiàn)機器人工件坐標系的快速標定。其標定步驟如圖5所示，操縱機器人使工具末端點分別接觸M1,M2以及M3點，記錄下機器人在到達這三點時的各軸脈沖數(shù)，經(jīng)過坐標轉換計算完成標定。

哈爾濱工業(yè)大學的宋月娥等人[24]提出了一種正交平面工件標定法，其主要思想是通過測量三個正交平面上的六個點實現(xiàn)工件的調整，對于具有圓形定位基準的工件，她提出了一種圓形基準工件四點標定法，通過標定四個點，其中三點為基準圓上的任意三點，另外一點為工件上任意一個明顯特征點，根據(jù)坐標轉換實現(xiàn)工件坐標系的標定。劉永等人[25]在工件坐標系內采用多個位置傳感器來獲取定位點的位置信息，通過建立坐標之間的相互轉換關系成功的進行了工件坐標系的標定。

圖5 工件坐標系標定

4 機器人協(xié)作系統(tǒng)標定

一些復雜零部件的焊接加工，單單依靠一個機器人進行焊接，往往達不到焊接工藝的要求，尋求一種滿足這種復雜工件焊接要求的智能化焊接系統(tǒng)至關重要。近年來機器人協(xié)作智能化焊接系統(tǒng)的概念逐漸出現(xiàn)在大家的視野之中，為上述問題提供了良好的解決方案。常見的機器人協(xié)作系統(tǒng)有機器人與攝像機形成的機器人手眼系統(tǒng)、多個焊接機器人形成的多機器人協(xié)調焊接系統(tǒng)以及機器人與變位機形成的多自由度協(xié)作焊接系統(tǒng)。這些機器人協(xié)作系統(tǒng)進行正常工作之前仍然需要對他們進行標定，才能達到良好的焊接效果，獲得較好的焊接質量以及帶來可觀的經(jīng)濟效益。

4.1 焊接機器人視覺系統(tǒng)標定

機器人視覺系統(tǒng)在焊縫識別與自主路徑規(guī)劃方面具有良好的應用，機器人手眼標定的準確性直接影響焊接的質量。根據(jù)攝像機安裝方式的不同，手眼系統(tǒng)可分為手眼分離系統(tǒng)和手眼一體系統(tǒng)。前者攝像機與機器人分離，攝像機固定安裝在某一位置；后者攝像機固定在機器人末端手臂上，隨著機器人一起運動[26]。傳統(tǒng)的標定方法需要借助標定板來獲取機器人、攝像機、焊槍以及標定板坐標系之間的位置關系，其坐標關系如圖6所示。

圖6 手眼關系標定

(2)

(3)

4.2 多機器人協(xié)調焊接系統(tǒng)標定

圖7 三點握手法標定

(4)

對于機器人與變位機協(xié)作焊接系統(tǒng)的標定，其標定思路與多機器人系統(tǒng)標定類似，文中不再進行介紹[32-33]。

圖8 公共靶標法標定

5 結 論

(1)機器人焊接系統(tǒng)的標定是進行焊接生產(chǎn)的前提工作，標定結果的準確性將直接影響焊接質量以及焊接效率。

(2)機器人焊接系統(tǒng)的標定得到了很大的發(fā)展，一些簡單標定方法的提出大大節(jié)省了標定時間，但標定精度需要進一步提高。

(3)一些先進的算法和先進的測量設備在機器人焊接系統(tǒng)的標定中得到了應用，提高了標定的精度，但怎樣降低標定成本，仍需要進行深入的研究。

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