激光跟踪仪在机器人性能测试中的应用★

陈刚 ， 吴雪珂 ， 欧永 ， 石雄毅 ， 王林 张杭

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东 广州 510610；3.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广东 广州 510610；4.泰州赛宝工业技术研究院有限公司，江苏 泰州 225500）

0 引言

机器人的发展历史不算长，但其发展却非常迅速。自20世纪50年代末第一台机器人诞生后，随着科技水平的提升，机器人产业也得到飞速的发展。2015年，国务院提出国家战略 《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略，中国将由制造大国走向制造强国，发展智能制造就是其中一个主攻方向。目前，国内工业制造正在加速转型升级，对于自动化软件和硬件设备的需求不断地增长，在这个过程中，工业机器人的市场需求强劲上涨，机器人、3D打印等将是智能制造的重要支撑和依托。

工业机器人主要由本体 （包含机械躯干部分、电机和减速机）和电控 （包括驱动和控制系统）两个部分构成，其作用是利用末端的执行机构代替人手来抓取物品或工具，完成不同的任务。目前主流的工业机器人有3种，包括:SCARA（四轴平行关节机器人）、DELTA（并联机器人）和六轴多关节机器人 （包括六轴以上的多关节机器人和衍生的双臂机器人）。机器人具有效率高、工作时间长、工艺修改柔性好和出品一致性好等特点，在替代人工管理、解决用工成本高和人手不足的问题上发挥着重要的作用。

我国工业机器人产业现有的控制技术、铸造和工艺等都已经达到了较高的水准，但目前检测手段仍比较落后，在制造过程控制、关键核心部件上跟国外比还存在明显的差距，因此，本文对激光跟踪仪在机器人性能测试中的应用进行了研究，以期为工业机器人的检测、校准等提供一定的参考。

1 激光跟踪仪介绍

1.1 激光跟踪仪概述

激光跟踪仪是现代工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术和现代数值计算理论等各种先进技术，能够对空间静止或运动目标进行跟踪并实时地测量目标的空间三维坐标，具有精度高、效率高、实时跟踪测量、安装快捷和操作简便等优点。激光跟踪系统在我国的应用始于20世纪90年代，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了进口激光跟踪系统[1-2]。

目前世界上主要的激光跟踪仪厂家有:美国API、瑞士徕卡 （Leica）、美国法如 （Faro）和加拿大的Optech，相对来说，Leica和API的激光跟踪仪的精度高一些，也最稳定。美国API等品牌的激光跟踪仪如图1所示。

1.2 激光跟踪仪的组成

激光跟踪仪的硬件包括:角度测量部件、距离测量部件、跟踪控制部件、系统控制器部件和支撑部件。为了提高激光跟踪仪的测量效率和自动化程度，激光跟踪仪还备有一些专用附件，例如:数字式温度传感器、气压传感器和遥控器，数字式温度传感器和气压传感器可用于对气象参数进行测定和修正，遥控器可用在镜站对测站进行操作和控制。

图1 美国API等品牌激光跟踪仪

激光跟踪仪的软件是测量系统的重要组成部分，主要包括:1）仪器控制与坐标测量软件；2）系统校准软件；3）分析与计算软件等。激光跟踪仪的测量方式包括:静态点测量、动态目标跟踪测量、对目标连续采样、格网采样和表面测量等。激光跟踪仪的测量结果可以用坐标方式或图形方式来显示。

激光跟踪仪实质上是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，与全站仪不同的是它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的3个轴，3轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包括:传感器头、控制器、电动机、传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机和反射器，如图2所示。

图2 激光跟踪仪的组成

a）传感器头

传感器头的作用主要为读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转，每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪 （IFM）和一个绝对距离测量装置 （ADM）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器，也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器 （PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。

b）控制器

包含电源、编码器、干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡。跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上；同理，从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。

c）电缆

传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。LAN电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。

d）应用计算机

加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。靶球反射器 （如图3所示）是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有的沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标值来描述被测对象的形状和尺寸。

图3 靶球 （SMR）及靶球在鸟巢的位置

e）气象站

气象站的作用主要为记录空气压力和温度数据。这些数据在计算激光反射时是必需要用到的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。

f）测量附件

包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，并且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。

1.3 激光跟踪仪的测量原理

激光跟踪仪测量原理分两部分论述:激光跟踪原理和激光跟踪仪系统坐标测量原理。

1.3.1 激光跟踪原理

当跟踪系统处于平衡状态时，如图4所示，由激光发生器射出的光束，经过干涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。当目标反射镜运动一个位移量后，如图5所示，此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2λ。返回光经过分光镜，一部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状态[3]。

图4 激光跟踪仪的平衡状态

图5 激光跟踪仪的不平衡状态

1.3.2 激光跟踪仪系统的坐标测量原理

首先，以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图6所示。

图6 激光跟踪仪的球坐标系统

设P（x，y，z）为被测空间点，假设点P到点O的距离为L，OP与Z轴的夹角为β，OP在oxy平面内的投影与x轴的夹角为α，则点P（x，y，z）的表达式为:

式 （1）中:α、β的值由安装在跟踪头中的两个角度编码器测量得出；L的值通过安装在激光头中的激光干涉仪获得。

激光干涉法的测距原理如图7所示。

图7 激光跟踪仪原理图

API激光跟踪仪包括一个红色氦氖激光束，激光束会被靶球 （SMR）反射回来。激光跟踪仪通过测量俯仰角 （EL）、水平方位角 （AZ）和一个半径距离来决定反射镜中心点的球坐标。角EL和AZ用安装在激光跟踪仪仰角轴和方位角轴上的编码器测量。半径用一个叫做干涉计的装置测量，即干涉计可根据氦氖激光的稳定波长来测量半径的大小。坐标数据被传送到电脑主机。软件系统把这些数据传送到一个用户根据数据系统定义的坐标结构中。

因为干涉计测量距离时是相对测量，激光束路径被打断时距离测量就会变得不合理。这个中断直到反射镜被测量到一个已知的参考距离 （例如初始位置）来为干涉计重置初始距离，从而继续干涉测距，例如:我们通常所说的 “回巢”就是在为干涉计重置初始距离，或者通过绝对距离测量 （ADM:Absolute Distance Measurement）来为干涉计重置初始距离。

ADM的原理如图8所示。

图8 ADM的原理图

API激光跟踪仪使用氦氖激光进行跟踪和干涉距离测量，作为氦氖激光的补充，API激光跟踪仪使用一个红外激光进行ADM。使用ADM功能时用户在一次光束阻断后靶球不需要回到家点来重置激光干涉计距离读数。

1.4 API激光跟踪仪系统的基本参数

美国API激光跟踪仪R20 Radian是美国API公司的新一代激光跟踪测量系统，具有靶球自动锁定和自我诊断等功能，Radian以最新研发的INNOVO智能测量系统平台为基础，因而其功能更强大，表现也更卓越。

美国API激光跟踪仪Radian的技术参数如下所示。

a）线性测量范围 （直径）:40 m （R20 Radian）。

b） 角度测量指标: 水平方向为640。（±320。），垂直方向为+79。～-59。， 角度分辨力为±0.018 ″， 角度精度为3.5 μm/m。

c） 空间精度:IFM 静态为±10 μm 或 5×10-6（2Sigma） （以较大者为准），跟踪速度＞6 m/s，最大加速度＞2 g。

d）激光特性:干涉仪为安全氦氖激光，分辨力为 0.08 μm， 精度＞±0.5×10-6， ADM-Maxx 为安全红外激光。

e） 分辨力:0.1 μm。

f） 精度: ±10 μm 或 1×10-6（以较大者为准）。

g）重量:主机为9 kg，控制箱为3.2 kg。

h） 尺寸: 主机为 177 mm×177 mm×355 mm，控制箱为110 mm×160 mm×310 mm。

i）工作环境:温度范围为-10～45。C，大气压力为225～900 mmHg，相对湿度为0～100%无凝结，海拔为3 000 m。

j）I-Vision功能:工作范围为0～25 m （标准型），视野范围为30。。

2 激光跟踪仪性能测试流程

激光跟踪仪性能测试流程如图9所示，具体的内容如下所述。

图9 激光跟踪仪测试流程图

2.1 激光跟踪仪测试系统的搭建

测试工作开展前，首先需要搭建激光跟踪仪测试系统，主要包括:三脚架打开锁定、跟踪头安装旋紧、气象站连接、跟踪头与控制器的连接、控制器与上位机 （PC电脑）的通讯等。

2.2 激光跟踪仪上电预热

分别给控制器和跟踪头上电，鉴于激光跟踪仪IFM测试利用氦氖激光，氦氖激光稳定需要一定的时间，所以每次上电后需要等待20～40 min的预热时间。

2.3 激光跟踪仪校准 [4]

预热时间过后，需要利用API自带的校准软件Tacker Cal进行激光跟踪仪的校准，包括APC校准和前后视检查，以保证激光跟踪仪在测试前处于良好的精度状态。

2.4 定义工作立方体

国标[5]要求工业机器人所有的位姿和轨迹测试必须在机器人常用的立方体之内，空间立方体建立的标准是尽量地满足机器人运动的极限位置。建立完毕后，首先，从机器人示教器读取立方体各顶点数据 （C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8）； 然后，再由API提供的上位机软件RPM v2.1记录并保存立方体数据，依据ISO 9283，用机座坐标系用户需要定义最大工作区间、XYZ的最大值和C1坐标；最后，点击 “Create Cube”按钮，工作立方体即可创建完成，如图10所示。

图10 建立空间立方体

2.5 坐标系统一

工作空间立方体建立完毕后，激光跟踪仪需要在其自己的坐标系下读取立方体内部斜面4个顶点（C1、C2、C7、C8）的坐标位置，计算处理，然后把机器人基底笛卡尔坐标系和激光跟踪仪笛卡尔坐标系建立统一，具体的步骤如下所述。

a）将鸟巢靶球引导到SMR1；

b）操作机器人移动到C3，点击C3按钮读取跟踪仪测试坐标；

c）操作机器人移动到C4，点击C4按钮读取跟踪仪测试坐标；

d）操作机器人移动到C5，点击C5按钮读取跟踪仪测试坐标；

e）操作机器人移动到C6，点击C6按钮读取跟踪仪测试坐标；

f） 建立转换， 利用立方体 （C3、 C4、 C5、 C6）平面和 （C1、C2、C7、C8）平面垂直关系和各点坐标确定关系，将机器人基坐标和跟踪仪坐标系建立统一相对位置；

g）生成两个坐标系误差。

2.6 位姿教学

坐标系建立统一之后，需要对激光跟踪仪进行示教，让其在统一的坐标系下记录5个点的坐标位置 （P1、 P2、 P3、 P4、 P5）， 这 5 个点分别取自立方体的4条对角线，其中P1为立方体的中心点。所有测试前工作准备完毕后，即可以根据自己的需求展开相应的测试，具体的步骤如下所述。

a）操作机器人到P5；

b）锁定激光束到SMR1，点击开始按钮；

c） 操作机器人沿着 C3→C4→C5→C6→P1→P2→P3→P4→P5移动， 每点持续 7 s；

d） “SMR1 teaching was done”消息框弹出，点击 “ok”，锁定SMR2，重复c）操作；

e）锁定SMR3，重复c）操作；

f）当SMR3学习完成时，点击 “Create Axis”来计算机座坐标系直线；

g）点击 “角度学习”按钮 ，点击 “Fin-ish”完成系统设置。

3 性能参数测试

3.1 国标测试项目

依照GB/T 12642-2013测试方法，14项测试内容如图11所示。

图11 GB/T 12642-2013中规定的14项测试内容

3.2 测试示例

位姿准确度和位姿重复性 （Pose Accuracy and Repeatability）测试[6-7]的示例图如图12所示，具体的步骤如下所述:

图12 EPSON工业六轴机器人性能测示例

a）选择机器人速度测试条件和负载条件；

b）操作机器人到P1点，停止；

c）选择循环30次，时间大约为1.5 h；

d）点击开始测试，激光跟踪器聚集SMR3参考学习的数值；

e）当实时数据变蓝时，开始运行循环P5→P4→P3→P2→P1→P5……P1， 设置各个点大约停止27 s；

f）跟踪器自动测试3个靶球数据，循环结束自动停止；

g）如果不能测试3个靶球的数据，增加各个点的停止时间；

h）结束后点击Analysis按钮，数据分析窗口会弹出，从而得到位姿准确度包括位置准确度（RPp） 和姿态准确度 （RPa、 RPb、 RPc）。

位姿准确度试验条件如图13所示，测试结果（EPSON工业六轴机器人，型号C4-R901）如表1-2所示。

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表1 位姿准确度

表2 位姿重复性

图13 位姿准确度和重复性试验条件

3.3 结果说明

RPM v2.1软件自动输出了5个位姿 （P1、P2、P3、P4、P5）的测试结果，其中位姿准确度包括位姿准确度 （APp） 和姿态准确度 （APa、 APb、 APc），表示指令位姿和实到位姿平均值的偏差；位姿重复性包括位置重复性 （RPp） 和姿态重复性（RPa、 RPb、 RPc）， 表示对同一指令位姿从同一方向重复响应n次后的实到位姿的一致程度，测试结果所有的数值均为代数值，可正可负。

4 结束语

激光跟踪仪在人工智能、重型机械、造船、汽车、航空、航天和电子等领域被广泛地应用，其对工业机器人的高精度多元素的测试和性能改进意义重大，跟踪仪软件依照GB/T 12642-2013规定的测试方法，对六轴机器人的14项性能进行完整的系统测试。对其他类型的机器人和非标自动化装置也可以使用Spatial Analyzer通用软件 （简称SA软件）开展精细测试、数据分析和图形生成等。

机器人整机和核心部件的性能检测，为工业机器人的检测、校准[8-9]、工艺改进、软件优化、硬件升级和工业机器人产业的提升提供了有力的支撑。