面向测量的工业机器人定位误差补偿研究

余雷

摘 要 为解决工业机器人定位时的测量误差问题，本文将探究机器人定位误差补偿方法。如果将定向相机安置在传感器上，通过传感器测量场景设定全局的控制点，并借助定向相机来测量控制点位置，就可以实时掌握传感器当前位置和全局坐标系的转换关联，由此补偿机器人在定位时产生的误差。

关键词 测量 工业机器人 定位误差 误差补偿

中图分类号：TP202文献标识码：A

工业视觉测量技术经常被应用在汽车制造领域的几何精密测量方面，伴随着现代汽车制造对于品种和生产量的需求增加，机器人与视觉测量的结合满足了汽车制造工业的需求，对于汽车的制造和装配品控等环节有着至关重要的意义。在柔性视觉精密测量的工作过程中，需要把视觉传感器安装到工业机器人的末端，通过机器人可编程控制的功能来进行自动化测量。但这其中存在的问题是，随着机器人运行产生的温度变化使其结构参数也产生变动，末端工具的安装位置与预定位置存在一定的偏差，这被称为机器人定位误差。机器人定位误差对于柔性视觉测量系统的精度影响较大，由此可见，减小机器人定位误差可以显著提升柔性视觉测量精度。机器人定位误差补偿研究的主要基础是机器人的运动学模型。从正向运动学的角度，研究可以更加准确地展示机器人的实际运动过程，，从逆向运动学的角度，在测量空间预先设置校准基准，再通过机器人带动视觉传感器测量校准基准，利用逆运动学解出机器人的几何结构参数，与正向运动学模型结合，实现机器人定位误差补偿。

1双相机补偿

基于视觉技术进行机器人定位误差补偿，就是在视觉传感器上设置光学控制点，通过视觉传感器后侧空间内设置的两台大视场相机来进行实时定位，如果能够预先定下精准的光学控制点在传感器坐标系中对应的三维坐标，就能够实时获得传感器的位置，并与机器人示教编程中的参数进行对比，得出误差，及时补偿机器人自身温度变化引起的定位误差。双相机补偿法可以达成的精度较高，但是在实际的应用场景中，不同的测量位置上需要设置足够的光学控制点才能保证在两个相机的视场中都能出现，如果测量位置被遮挡，就不能完成误差补偿。特别是在汽车制造的在线检测中，空间较为拥挤，无法保障良好的通视条件，所以双相机补偿法的应用会受到一定阻碍。

2单相机补偿

单相机补偿法的操作是，在传感器的测量场景中预先设置控制点，并在传感器上设置一台附加相机，也就是定向相机，使用其他的精密测量设备对控制点在全局坐标系中相应的三维坐标进行测量。传感器在对某一位置进行测量时，定向相机能够将场景中的控制点成像，并利用N点透视定位算法实时估算定向相机在全局坐标系中的位置，如果可以提前标出传感器坐标系和定向相机坐标系之间的转换关联，就能实时解出传感器在全局坐标系中的位置。

3改善单相机补偿的方法

在单相机补偿模型中存在着角度参数和位移参数两种位置变量，在求解过程中两种参数共同作用，会直接影响优化的效果。角度偏差导致的位移偏差会随着成像距离而产生大小变化，但通常定向相机的成像距离都比较大，一般处于？03mm量级，由此角度偏差导致的位移偏差也随之增大，最终导致定位精度受到影响。

在机器人的运行过程中，自身由于机械传动产生温度变化，导致机械结构发生热胀冷缩。温度的变化会造成连杆长度变化和角度码盘变形，但由于码盘结构是圆形的，受热产生变形较为均匀，而且角度符合封闭原则，所以角度参数 i和 i的变化比较小，可以忽略不计。而距离参数ai和di变化更为明显，这是产生定位误差的显著因素。根据图中公式可知，参数ai和di决定了两个坐标系之间的位移关系，和角度关系没有关联。因此，由温度变化产生的机器人定位误差，主要是位移误差，而不是角度误差。根据机器人定位误差的特点，可以改善单相机的补偿方法，把模型中的全局坐标系和定向相机坐标系之间的角度关系设为已知参数，在经由机器人模型确定的数据进行优化计算。

4结语

机器人定位误差是影响汽车制造中柔性视觉测量方法精度的直接因素，所以对机器人定位 误差进行补偿能够有效提高机器人定位精准度。双相机补偿法在实际应用中会受到控制点通 视性难以控制的阻碍，而单相机补偿法可以有效解决这一问题，只是实际应用中精度还不够高。而单相机补偿方法精度较低主要是因为在转换关系中，角度参数和位移参数全被设置为优化目标，而角度参数又是导致位移参数发生变化的直接因素。如果能够结合机器人定位误差的特征，并将角度参数设为已知参数，只将位移参数作为优化目标，就可以有效提升单相机补偿法的精度。

参考文献

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