陳國(guó)培

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008）

0 引言

目前中國(guó)已成為全球第一大機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。雖然市面上工業(yè)機(jī)器人品牌種類繁多，但質(zhì)量卻良莠不齊，直接影響用戶的使用效果和人身安全。有效地評(píng)估工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量水平就顯得至關(guān)重要。

GB/T 12642-2013 規(guī)定了14 項(xiàng)工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)和測(cè)試方法，其中位置準(zhǔn)確度和位置重復(fù)性是工業(yè)機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，受機(jī)器人零部件制造及裝配誤差、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損、編碼器測(cè)量誤差、負(fù)載變化、溫度等多種因素的影響[1-2]。通常工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度很高，但絕對(duì)定位精度較低[3]。由于目前工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度沒有參考標(biāo)準(zhǔn)，出廠時(shí)廠家一般會(huì)提供重復(fù)定位精度。為此，在工業(yè)機(jī)器人性能評(píng)定中，位置重復(fù)性是最主要的一項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)[4]。激光跟蹤儀的出現(xiàn)，很好地解決了機(jī)器人性能測(cè)試中測(cè)試環(huán)境搭建復(fù)雜、測(cè)試精度不高等問題。本文著重介紹利用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測(cè)試。

1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法

GB/T 12642-2013 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)位姿重復(fù)性給出了明確的定義，即對(duì)同一指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實(shí)到位姿的一致程度[5]。定義中的位姿包括姿態(tài)重復(fù)性和位置重復(fù)性，本文僅對(duì)位置重復(fù)性進(jìn)行討論。

如圖1所示，位置重復(fù)性：

其中：

圖1 位置重復(fù)性

通過分析式（1）～（5）可知，位置重復(fù)性的計(jì)算不涉及指令位姿所給定的坐標(biāo)值。這使得位置重復(fù)性的測(cè)試只需用到測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系，不涉及機(jī)器人的機(jī)座坐標(biāo)系，無需進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)座坐標(biāo)系之間復(fù)雜的坐標(biāo)變換。而如果進(jìn)行位置準(zhǔn)確度的測(cè)試，則需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，因此相對(duì)而言位置重復(fù)性測(cè)試更簡(jiǎn)單更好操作。

2 測(cè)量?jī)x器

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)在工業(yè)機(jī)器人性能評(píng)估領(lǐng)域做了大量研究，探索了很多測(cè)試方法，包括拉線式位移傳感器測(cè)試、相機(jī)跟蹤測(cè)試、超聲波測(cè)試、三坐標(biāo)測(cè)量法、參考軌跡測(cè)量法和激光跟蹤儀測(cè)試等[6-7]。其中最為常見的測(cè)試方法是激光跟蹤儀測(cè)試[8]。

早在20世紀(jì)80年代，國(guó)外就開展了激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)的研究，并有相應(yīng)的產(chǎn)品問世。近年來，隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，激光跟蹤儀的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、便攜性得到極大地提升，在制造、服務(wù)、工程、質(zhì)量控制以及檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。2019 年9 月在國(guó)家認(rèn)監(jiān)委舉辦的工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測(cè)試技能競(jìng)賽中，來自全國(guó)12個(gè)?。ㄊ校┑?5 家檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)全部采用激光跟蹤儀作為測(cè)量設(shè)備。激光跟蹤儀是工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試領(lǐng)域必不可少的檢測(cè)儀器。

一套激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)包括激光跟蹤儀、靶球、計(jì)算機(jī)及相關(guān)測(cè)試軟件、工裝夾具等，如圖2所示。

圖2 激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)

3 測(cè)試流程

依據(jù)GB/T 12642-2013標(biāo)準(zhǔn)要求，基于激光跟蹤儀的工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 位置重復(fù)度測(cè)試流程

3.1 激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)搭建

激光測(cè)量頭需安裝在穩(wěn)固的支架上，并處于工業(yè)機(jī)器人作業(yè)空間之外，保證測(cè)量頭在一定偏轉(zhuǎn)角度內(nèi)就能采集到所有的位置數(shù)據(jù)。靶球借助工裝夾具固定在機(jī)器人末端。將控制器與測(cè)量頭、控制器與氣象站、控制器與上位機(jī)的可靠連接。

3.2 激光跟蹤儀預(yù)熱及校準(zhǔn)

激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)搭建完成后，給系統(tǒng)上電，激光跟蹤儀立即開始預(yù)熱，即進(jìn)入“熱穩(wěn)定”階段。在預(yù)熱過程中，測(cè)量頭內(nèi)部軸結(jié)構(gòu)會(huì)改變形狀，直到所有結(jié)構(gòu)零件的溫度達(dá)到穩(wěn)定均勻，以適應(yīng)工作溫度和所需的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)。預(yù)熱結(jié)束后，再對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行校準(zhǔn)。預(yù)熱和校準(zhǔn)皆是為保證激光跟蹤儀測(cè)量精度所采取的必要措施。

3.3 測(cè)量點(diǎn)確定

位置重復(fù)度測(cè)試需要5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，這5個(gè)測(cè)量點(diǎn)需通過工業(yè)機(jī)器人工作空間中立方體內(nèi)一平面上的5個(gè)合適位置點(diǎn)經(jīng)過偏移得到。

3.3.1 立方體

立方體應(yīng)位于工作空間中預(yù)期應(yīng)用最多的那一部分，即工業(yè)機(jī)器人末端活動(dòng)最頻繁的區(qū)域。同時(shí)，立方體應(yīng)具備最大的體積，并且棱邊與基座坐標(biāo)系平行[5]。

3.3.2 選用平面

選用平面在立方體（C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7-C8）內(nèi)部，如圖4所示，任意選取其中一個(gè)平面即可。

圖4 選用平面

3.3.3 示教點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)

編程示教過程中，是對(duì)機(jī)械接口的中心點(diǎn)（即法蘭中心點(diǎn)）進(jìn)行操作示教。而激光跟蹤儀在采集坐標(biāo)位置時(shí)，獲取的是靶球中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，顯然示教點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)不同。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，5個(gè)示教點(diǎn)應(yīng)位于選用平面的對(duì)角線上，其中1個(gè)點(diǎn)為對(duì)角線的中心點(diǎn)，其他4個(gè)點(diǎn)離對(duì)角線端點(diǎn)的距離等于對(duì)角線長(zhǎng)度的10%±2%，如圖5所示。為滿足位置重復(fù)性測(cè)試要求，機(jī)器人示教時(shí)需要通過末端姿態(tài)控制，保證每對(duì)測(cè)量點(diǎn)和示教點(diǎn)之間一樣的相對(duì)位置關(guān)系是一樣的，即末端的機(jī)械接口姿態(tài)相對(duì)于選用平面保持不變。

圖5 示教點(diǎn)

按照確定的工業(yè)機(jī)器人工作空間的立方體以及選取的選用平面，可計(jì)算出示教點(diǎn)P1、P2、P3、P4、P5在機(jī)座坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

3.4 機(jī)器人示教

通過計(jì)算出來的P1～P5的坐標(biāo)值，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，使得末端的機(jī)械接口以P1點(diǎn)為起始點(diǎn)，按順序移至P5、P4、P3、P2、P1，并且在每一示教點(diǎn)處停頓 3～5 s，以便于激光跟蹤儀能夠采集準(zhǔn)確的坐標(biāo)值。P5～P1為一個(gè)循環(huán)，總共設(shè)置30個(gè)循環(huán)。

3.5 測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

以上步驟準(zhǔn)備完成后，啟動(dòng)激光跟蹤儀和機(jī)器人開始測(cè)試。共采集30 組150 個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)值，導(dǎo)出數(shù)據(jù)值，按式（1）～（5）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得到P5、P4、P3、P2及P1五個(gè)位置點(diǎn)的位置重復(fù)性測(cè)量值。在50%額度速度下，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 位置準(zhǔn)確度

4 影響因素

為保證位置重復(fù)度的測(cè)量準(zhǔn)確性，需考慮環(huán)境、設(shè)備等因素可能產(chǎn)生的影響。環(huán)境方面，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)須遠(yuǎn)離振動(dòng)源，如施工工地、大型起重設(shè)備、車流密集的馬路、振動(dòng)試驗(yàn)場(chǎng)所等。最好機(jī)器人和激光跟蹤儀能安放在隔振地面上。設(shè)備方面，測(cè)試前機(jī)器人和激光跟蹤儀要進(jìn)行充分地預(yù)熱并達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，靶球與機(jī)器人的連接須緊固不松動(dòng)。此外，激光跟蹤儀要進(jìn)行充分校準(zhǔn)，避免因運(yùn)輸、安裝等原因?qū)y(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的精度影響。

5 結(jié)束語

位置重復(fù)性是工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試中的一個(gè)基本測(cè)試項(xiàng)，是衡量工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量水平的重要指標(biāo)之一。本文主要介紹了工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測(cè)試的方法，以及用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)測(cè)試的流程。通過搭建激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)，能夠高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測(cè)試，極大地降低測(cè)試難度并提高測(cè)試精度，是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試應(yīng)用最廣泛的測(cè)量手段。