6R型工业机器人标定技术研究及算法实现

高小云

珠海格力智能装备有限公司 广东 珠海 519070

目前采用标定技术方法可有效提高工业机器人的位置姿态精度，降低对工业机器人本体的加工精度要求，同时也能减少机器人在执行工作任务过程中对本身刚度的过度依赖。所以说标定技术的运用对提高工业机器人执行复杂任务能力、强化其运行自主性都具有现实意义。

一、6 R型工业机器人与标定技术方法概述

6 R型工业机器所具有的自由度为6(6轴，6点可转动关节)，所有关节均为可转动关节，其中前3个关节Axis1、Axis2、Axis3主要控制机器人的末端手腕位置，另外后三个关节Axis4、Axis5、Axis6控制机器人末端手腕姿态。6 R型工业机器人拥有复杂的多刚体系统空间结构，在运动学分析过程中确保便于展开分析工作，专门在工业机器人的每个连杆上固定连接一个连杆坐标系，描述连杆坐标系之间的相对关系，如此可推导出工业机器人末端连杆的位置与姿态，并建立连杆坐标系的相应函数关系。

在6 R型工业机器人上可利用标定方法提高其末端定位精度，不许更改机器人本体结构与控制系统，围绕其6轴转动关节建立运动学模型，并对模型相关细节作出补偿修正，如此可有效减少人力、物力与财力输出，同时降低工业机器人因精度不足所导致的损坏废弃风险问题。在采用标定技术过程中，基于规定时间间隔对机器人系统进行重新标定，有效弥补元件磨损，同时通过改变元件尺寸变化与刚度改变工业机器人定位精度，同时满足加工精度要求，如此更能提高工业机器人的使用寿命[1]。

二、6 R型工业机器人的标定过程、仿真实验与算法验证

(1)机器人本体的参数标定验证过程分析。针对机器人本体的参数标定验证过程进行分析，假设机器人的初始位姿为θ，且其末端位置坐标为p1，假定工业机器人中的每个关节都存在一定的角度偏差或长度偏差，且角度偏差设定为0.01°，长度偏差设定为0.1 mm，此时可计算工业机器人的末端位置坐标p1，最终获得在该位姿下工业机器人基于不同关节不同类型的位姿偏差，包括偏差所引起的位置准确度变化。一般来说，在不同位姿下，不同类型参数的6R型工业机器人其各项指标参数都存在偏差，且对机器人位置的准确度也有不同影响。此时可预测机器人末端的定位精度对角度类偏差相对敏感。为证明这一假设，需要对多个处于不同初始位姿的机器人进行仿真实验，验证上述假设是正确的。在验证假设过程中，对存在角度偏差的工业机器人关节进行检查，检查其偏差关键是否距离机器人基座过近，如果越近证明机器人位姿的准确度越大，同时更说明机器人末端定位精度对偏差敏感度越高[2]。

(2)机器人的标定仿真实验过程分析。以6R型工业机器人的天窗飞行滚边工具标定仿真实验过程为例，其实验过程主要包括4道工序。

第一道工序，明确包边角度变化过程，可设置为35°、80°、135°和180°。

第二道工序，在滚边之前对每一道工序的滚轮进行设置，建立工具坐标系，明确工具TCP位置设定。

第三道工序，在仿真标定实验环境下测量天窗飞行滚边中每一道工序滚轮工具的坐标系位姿数据。

第四道工序，发现实际模型中所存在的加工与安装误差，分析实际工具坐标系位姿数据与仿真环境，并测量其实际位姿数据与理论位姿数据是否一致。如果不一致需要利用三坐标测量仪对已经安装好的滚边工具金袭警参数标定调整，再次进行机器人位置标定。

如上述4道工序修正6R工业机器人天窗飞行滚边工具后可获得最终的标定仿真实验数据[3]。

(3)机器人本体结构参数的标定算法验证过程分析。最后要对6 R工业机器人的本体结构参数进行标定算法那验证，分析其结构参数角度类偏差，并对工业机器人的末端定位精度进行验证。在验证计算过程中需要给定待标定工业机器人的结构参数名义值与偏差值数据内容。具体将就是要计算工业机器人在名义参数下的理论位置坐标pb，包括在参数偏差影响下的实际位置坐标p0，最后可得出工业机器人的实际位置偏差应该为:

dp=pb-p0

与此同时，需要结合工业机器人的雅克比矩阵，再次深入展开正向运算与逆向运算，分别通过两种计算获得机器人的名义位置误差Δp:

Δp=HpΔξ

上述算式中结构参数误差为Δξ，代入相关数据可取的具体计算结果，假偏差源的给定偏差为0.1000，那么代入上述公式可计算出它的计算偏差应该为0.1001。从上述计算过程可以见得，如果利用工业机器人的雅克比矩阵可计算出名义位置误差与实际误差，且对比发现二者的误差偏差相对较小，只有0.0001，这就证明通过雅克比矩阵所求解的结构参数误差与给定偏差值基本保持一致，误差可忽略，最终证明了6 R型工业机器人所建立的标定模型存在一定合理性，同时它的标定算法也具有一定可靠性[4]。

总结

通过本文中对6R型工业机器人以及对标定技术模型、假设以及模拟算法的研究可以证明在建立6R型工业机器人过程中需要首先构建其本体结构的参数标定误差模型，主要基于它的首末端位姿精度评估原理将其结构参数与角度类、长度类偏差体现出来，并对不同类型、不同位姿的工业机器人转动关节偏差敏感性数据进行分析，利用标定技术算法验证所建立6R型工业机器人的标定模型合理性，最终验证标定算法所验证的假设成立，再次证明算法合理性与安全可靠性。综上所述，该标定技术方法所构建的是一种可避免拆除现有工业机器人末端的精细化标定方法，且标定技术中对平均标定误差值管控严格，可保证6R型工业机器人的运行轨迹精度维持在5 mm以内，满足了工业机器人的生产操作精度要求。