楊程

【摘 要】在工業(yè)機器人高精度控制的基礎上構建柔性制造單元或是柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)工業(yè)機器人產(chǎn)生控制制造的快速化、柔性化和自動化生產(chǎn)。對于我國現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以及提高中國創(chuàng)造具有重要的意義。如何實現(xiàn)柔性制造的工業(yè)機器人的高精度定位提升的思路和方法，對于我國現(xiàn)代工業(yè)的機械化、智能化生產(chǎn)提供一定的技術和理論支持。

【關鍵詞】現(xiàn)代工業(yè)；柔性制造；工業(yè)機器人；高精度控制

中圖分類號： TP242.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.006

Discussion on high-precision positioning method of industrial robot in flexible manufacturing

YANG Cheng

（Hubei Transportation Vocational and Technical College， Hubei Wuhan 430070， China）

【Abstract】Based on the high precision control of industrial robots， flexible manufacturing units or flexible production lines are constructed to realize the rapid， flexible and automated production of industrial robots. It is of great significance for the industrial transformation and upgrading of China's modern industrial industry and the improvement of China's creation. How to realize the high-precision positioning and upgrading of flexible manufacturing industrial robots provides certain technical and theoretical support for the mechanization and intelligent production of modern industry in China.

【Key words】Modern industry； Flexible manufacturing； Industrial robots； High-precision control

隨著2015年我國正式公布的工業(yè)4.0規(guī)劃，其中明確指出制造業(yè)在我國國民生產(chǎn)總值中的主體地位，強調(diào)了制造業(yè)對于提升我國綜合國力，同時也提出要能夠在工業(yè)制造中實現(xiàn)智能設備和產(chǎn)品的制造發(fā)展。而以工業(yè)機器人為代表的自動化設備平臺以其高度靈活性和編程性特點，能夠滿足批量化的生產(chǎn)需求，還可以實現(xiàn)批量多產(chǎn)品的快速更換生產(chǎn)制造。但是工業(yè)機器人仍是以面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手多自由度的機器裝置，其運動精度和動態(tài)特性等還不能夠滿足當下一個工業(yè)生產(chǎn)線的柔性配置和制造系統(tǒng)，因而要求能夠展開對面向現(xiàn)代柔性制造的工業(yè)機器人高精度技術的相關內(nèi)容研究。

1 工業(yè)機器人的應用現(xiàn)狀

對于我國社會發(fā)展而言，其擁有全球最廣闊的工業(yè)機器人應用市場，并且隨著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的轉(zhuǎn)型升級和人口紅利的退減，導致的中國機器人應用市場的快速發(fā)展。并且可以預見在未來我國工業(yè)機器人的范圍和使用將會呈現(xiàn)出柔性化、智能化等方向發(fā)展。

我國正在盡力推動自動化的工業(yè)生產(chǎn)模式，即將柔性制造同工業(yè)機器人相結合，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量問題。在未來工業(yè)機器人主要的發(fā)展方向為實現(xiàn)精密化、柔性化、智能化和軟件應用開發(fā)為一體的工業(yè)機器人研發(fā)生產(chǎn)，從而達到對工業(yè)生產(chǎn)過程實施檢測、控制、優(yōu)化和調(diào)動等全過程的自動化管理。如機器人動力學及仿真等先進的制造技術，實現(xiàn)工業(yè)機器人的綜合性發(fā)展。這對于面向現(xiàn)代柔性制造的工業(yè)機器人高精度控制方法的研究具有重要的理論支持，我國將全力提供技術支持、資金支持工業(yè)機器人滿足社會生產(chǎn)需求。

2 當前影響工業(yè)機器人高精度發(fā)展的因素分析

工業(yè)機器人在柔性制造中的廣泛應用的核心因素在于其絕對定位精度低、長期穩(wěn)定性差等方面。由于影響工業(yè)機器人絕對定位精度的因素的多樣的，實現(xiàn)對其的定位誤差的影響因素的分析，可以有效的提升工業(yè)機器人高精度控制。第一是機器人運動學模型的參數(shù)的設定帶來的絕對定位精度的差異，機器人運動學模型的參數(shù)設定會產(chǎn)生桿件長度誤差、關節(jié)碼盤的靈位檢查等等，這些偏差會導致定位的不精準，因而當前主要是通過對機器人運動學模型中的各種參數(shù)的零偏差設定，來實現(xiàn)對其高精度化控制；下圖為工業(yè)機器人的d-h坐標輔助機器人展開精準度的定位運動。

第二是工業(yè)機器人內(nèi)部結構中出現(xiàn)的負載變形帶來的影響，如機器人主要是在實現(xiàn)杠件力學

柔性形變、高速運動過程中殘生的附加內(nèi)應力、末端執(zhí)行器等都會導致待加工零件受力變形，從而帶來其工作的精度的不準確，要求能夠在工業(yè)機器人研發(fā)設計中，減少代加工零件受力變形的程度。第三是控制環(huán)境因素對于工業(yè)機器人的定位精度影響，在現(xiàn)實中，工業(yè)生產(chǎn)的場所的溫度大小、濕度情況都都會影響工業(yè)機器人的定位精度問題因而要求能夠?qū)崿F(xiàn)定位誤差補充設定。

3 柔性制造中工業(yè)機器人高精度定位方法分析

針對上述提到的影響工業(yè)機器人高精度控制的因素可知，當前主要采用的精度誤差補充設定有以下幾點；

3.1 基于機器人模型的標定方法

基于模型的標定方式主要是通過在工業(yè)機器人建模、測量和參數(shù)識別層面上的校準補償。該方法主要運用于由于運動學模型的參數(shù)誤差，根據(jù)工業(yè)機器人而言，運動學模式的參數(shù)誤差問題不能夠直接用定位誤差修正方式，這是因而模型中的相關參數(shù)都是非線性耦合的，這些參數(shù)之間相互影響，單純的實現(xiàn)某一個參數(shù)的可靠性和精度的調(diào)整是不可能的。同時也是因為機器人的運動學的關節(jié)角的該變量的不定性所影響，當前可以對其的運動末端的位姿進行求解，主要方式如下：

通過公式可以求得8個解，對無效解進行剔除，在余下的有效解中，選取最接近與當前機器人關節(jié)位置的解，就是最終解。根據(jù)這一結構特點和求解方式，可以分析其的高精度控制方式可以采用分層、多級的補償測量，采用逐層逐級的補償和參數(shù)修正。如利用試驗中出現(xiàn)的誤差建模方式來對參數(shù)因素等誤差進行標定，繼而建立合理的運動學誤差模型來準確描述真實的誤差情況，從而提高兩者之間的相互耦合概率。模型的影響因素數(shù)量同參數(shù)辨識之間成正比，為了改變該現(xiàn)象，可以從增加魯棒性即增加參數(shù)辨識的可靠性來分離出對末端精度影響最大的因素進行辨識和補償。

3.2 工業(yè)機器人的非模型標定方法

工業(yè)機器人中定位精度的影響因素的標定方式很多，采用費默星標定方法可以通過曲線擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法對工業(yè)機器人局部空間內(nèi)位的誤差進行評估和補償。（1）是采用曲線擬合的定位誤差標定和控制。曲線擬合的誤差標定法主要的流程是通過誤差測量、曲線擬合和誤差插補三個步驟，首先是通過對工業(yè)機器人作業(yè)空間中的姿態(tài)下的位姿誤差進行測量，利用曲線擬合法構建機器人在作業(yè)空間中存在的位姿誤差分布曲線情況，將其補償?shù)郊榷ǖ哪繕宋蛔松?；?）是基于空間插值的定位誤差標定的方式。空間插值的定位誤差標定是將工業(yè)機器人的作業(yè)空間進行立體網(wǎng)格化的區(qū)分劃定，并且通過測量設備測得各個網(wǎng)格節(jié)點處的位姿誤差，從而建立起機器人的定位誤差數(shù)據(jù)庫。（3）是基于審計網(wǎng)絡的定位誤差標定，使用神經(jīng)網(wǎng)絡方法提高工業(yè)機器人的高精度控制能夠?qū)τ诙鄥?shù)耦合的工業(yè)機器人的運動學模式的表述。如利用神經(jīng)元網(wǎng)絡對于多組不同關節(jié)角度的末端執(zhí)行器的空間位姿進行信息的收集和模擬，利用這些信息形成對機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡的控制網(wǎng)來達到對關節(jié)角的補償。

3.3 基于高精度外部觀測設備的實時精確定位

對于工業(yè)機器人面對柔性制造現(xiàn)場所呈現(xiàn)的定位漂移問題可以采用高精度外部觀測設備對機器人的末端工具進行精確定位的方式，來展開對定位漂移的有效腳掌。如利用光學三坐標測量機，實現(xiàn)對機器人末端執(zhí)行器位置在工作環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的漂移的校對。當前主要采用的測量其主要有激光跟蹤儀、IGPS等方式進行測量，采集到多維的數(shù)據(jù)信息，由此展開評估補償。

總而言之，當前在面向現(xiàn)代柔性工業(yè)機器人的高精度控制方法中，基于運動學模型的評估和補償方式是較為簡單且技術成熟的一種，但是其仍舊存在一些問題，如模型的不定性、機器人在工作環(huán)境中不能夠?qū)δ承┓纻芜M行有效的補償。而實現(xiàn)對外部測量設備的精度提高方式則能夠有效的發(fā)揮工業(yè)機器人當前的設計制造特性，按照機器人的制造的設計原理對其定位誤差的分布規(guī)律等進行摸索排查。因而說在實現(xiàn)工業(yè)機器人的高精度控制方法要求能夠綜合展開上述三種方式的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免出現(xiàn)某一技術方式短板所帶來的精度不精準的問題。

4 結語

綜上所述，針對于現(xiàn)代柔性制造產(chǎn)業(yè)，如航空航天制造業(yè)，其所制造的工業(yè)零件具有品類多、批量小以及精度要求高等特點，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造方式不能夠全面滿足這些生產(chǎn)需求特點，導致航天航空企業(yè)發(fā)展的成本較大、產(chǎn)品的質(zhì)量和響應速度受到影響。因而實現(xiàn)工業(yè)機器人的高精度定位方法的優(yōu)化發(fā)展，實現(xiàn)高精度補償技術，提高柔性制造水平，能夠為對航空航天制造領域在內(nèi)的柔性制造行業(yè)提供新的動能，也可以預見，在現(xiàn)代柔性制造行業(yè)發(fā)展的帶動下，工業(yè)機器人的精準度較為得到較大程度的提升，而工業(yè)機器人將會得到較大的發(fā)展空間。

【參考文獻】

[1]任永杰，尹仕斌，邾繼貴.面向現(xiàn)代柔性制造的工業(yè)機器人高精度控制方法[J].航空制造技術，2018，61（05）：16-21.

[2]中國汽車智能制造技術路線圖[J].汽車工藝師，2017（07）：24-28.

[3]嚴浩.工業(yè)機器人高精度軌跡跟蹤技術的研究與實現(xiàn)[D].江南大學，2017.

[4]蔡灝旻.具有強粘性的柔性制造系統(tǒng)物流策略研究[D].浙江大學，2017.