工業機器人誤差影響因素及測量方法研究

龔家勤，李夢奇，鄧 倖之

（邵陽學院機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000）

工業機器人作為工業生產自動化的典型代表，廣泛應用于自動化工業的各個領域，如電弧焊、點焊、搬運等。目前工業機器人在大批量自動化的生產中已經替代傳統人工完成了高質量的自動化工作，提高了產品批量生產的效率和質量，因此對于工業機器人在正常工作時，在速度和空間上的準確定位、運動速度、加速度的誤差大小和定位精度都有嚴格的規定和要求。一般來說，工業機器人在生產和出廠時都需要對其定位精度和誤差進行標定，同時還要通過檢測機器人在運動過程中的運動速度和空間加速度，選擇合適的誤差測量方法來確定和提高工業機器人的定位精度，這就顯得尤為重要。

1 影響工業機器人誤差的因素

造成工業機器人誤差的主要影響因素非常復雜，一般將這些影響機器人誤差大小因素大致分為兩種，靜態因素和動態因素。其中靜態因素一般定義為不隨工業機器人的運動而發生改變的因素。而相對應地，動態因素可以定義為會隨著工業機器人的運動而發生變動的因素[1]。

1.1 靜態因素

影響機器人誤差大小的靜態因素主要包括：

（1）連桿結構參數的誤差。由于機器人的各個組成部分在零件加工與裝配過程中的結構誤差常常難以避免，致使機器人的連桿結構參數的理論值與實際的參數值之間往往存在著較大的誤差，進而直接導致機器人末端的執行器位置發生了偏差。

（2）工作環境溫度的誤差。如果機器人工作環境中的溫度和空氣濕度發生變化，將直接導致機器人的各連桿長度以及執行器的硬度尺寸發生微小的變化，長期使用引起的零件磨損也可能會直接導致末端機器人各連桿和零部件的長度和尺寸的位置發生變化，從而直接導致機器人的末端各連桿和執行器的位置產生誤差。

（3）關節運動誤差。主要原因包括傳動關節由于運動副磨損原因引起的固有運動角誤差和關節運動角誤差。傳動關節誤差主要是來源于伺服驅動電機、減速器等齒輪傳動裝配機構的齒輪與傳動關節誤差、齒輪的關節間隙與傳動關節間隙的撓性。為了有效減小齒輪傳動關節誤差對機器人運動精度造成的影響，工業高精密機器人的傳動關節大都是采用直流伺服驅動電機和諧波驅動的減速器組合為一體的技術設計，使得傳動關節的裝配可以達到很高的裝配精度，關節的間隙可以通過較高的齒輪裝配傳動精度，或者是采用高精密材料進行加工的減速器實現，有些高精密的機器人因為采用直接由電機驅動的技術而直接省去了減速器。

（4）計算機和控制系統誤差。主要包括計算機編程的方法和控制算法有關的控制系統誤差，主要是指直接根據求解的算法和控制算法在計算機內的運算字長所直接造成的比特誤差。比特誤差與傳統控制機構的誤差相比，小到可以忽略不計。

（5）標定位置和傳感器的誤差。主要包括分辨率和標定位置誤差等，主要是指由于分辨率傳感器、位置傳感器等引起的誤差，在機器人執行器端工作時所能得到的空間分辨率和位移最小值。分辨率的誤差意味著在該最小值之下的空間位移最小值無法精確地被感知。

1.2 動態因素

影響機器人誤差大小的動態因素主要包括：

（1）指令誤差。包括插補誤差、圓整累積誤差和擬合誤差等。

（2）各類機械臂傳動受力和軸向彈性關節誤差。主要包括機器人自重、慣性和內力、外力等多種因素作用引起的機器人關節和各機械臂的彈性變形、齒輪的受傳動誤差和關節傳動間隙等。

（3）模擬關節數字碼盤精度數字自動讀取時的精度計算誤差。主要因素包括采用機器人模擬關節數字碼盤自動讀取的計算精度、機器人數字關節碼盤精度與微控制器的數字自動控制和文字數據處理分辨的結合能力，編程能力、計算機舍入數據精度的計算誤差等。

2 工業機器人誤差測量方法

國內外學術界對機器人定位誤差測量的認識和研究由來已久。常用的誤差測量裝置有經緯儀、球桿、三坐標測量機和激光跟蹤儀等。常見的測量方法主要可以歸納為三類：基于機器人的視覺圖像處理技術的測量方、基于激光跟蹤儀測量方法和基于拉線編碼器測量方法。

2.1 基于機器視覺處理技術測量方法

機器視覺處理技術本身就是模擬人類視覺采集外界信息并處理信息的過程，被認為是機器控制系統的重要反饋環節。所謂的機器視覺是通過先進的圖像采集技術和利用圖像信號分析技術獲取物體的形狀等信息，并將其信息傳輸反饋給機器人的自動控制系統。其主要目的之一就是使機器人能夠從單個或一系列二維的圖像中準確讀取和計算出物體的形狀、大小、空間以及位置移動。但是由于容易受到攝像光線等的影響，測量的精度低，所以實際應用時，需考慮工作環境對測量精度的影響。

2.2 基于激光跟蹤儀測量方法

眾所周知，激光跟蹤儀具有圖像分辨率高、工作范圍空間大、非接觸測量、性能穩定、原理簡單等一系列優點，被廣泛應用于工業機器人系統的目標定位精度測量。在機器人的測試和準備階段，激光跟蹤儀的優點是將靶球直接安裝在一個機器人手臂末端執行器的固定裝置上。根據末端固定裝置的類型，可以同時放置多個靶球，適用于機床上和工業機器人系統的目標定位和跟蹤測量以及動靜態位姿的測量。激光跟蹤儀的缺點是反射的光束必須在整個機器人測量的過程中連續反射可見。如果光束反射中斷，則必須從頭開始重新固定裝置測量，并且其成本也較高，一般運用于工業機床上。

2.3 基于拉線編碼器測量方法

基于拉線編碼器測量系統的硬件結構包括工業機器人，數據采集單元，測量單元和計算機，如圖1所示。測量單元包括測量適配器和測量桿，測量適配器的機械結構由四個爪組成，它的功能是將與爪連接的四根拉線在空間上相交。測量桿用于固定拉線編碼器并提供穩定的底座。數據采集單元為高頻數據采集卡，通過四根測試拉線與安裝在工業機器人末端執行器上的測量適配器連接，拉線編碼器的信號線與數據采集卡連接，最后傳輸到計算機軟件進行分析和計算。機器人和計算機通過以太網連接，機器人直接受計算機的遠程通訊控制，完成整個測量過程。當工業機器人末端的空間位置改變時，四根測試拉線的長度也會改變，該長度的原始數據由數據采集卡實時收集。經過計算機的分析計算，獲得了工業機器人末端執行器的位置信息，并在計算機軟件中描述機器人的運動軌跡，計算實時速度和加速度值，并將獲得的歷史數據記錄下來，方便后續分析處理[2]。

圖1 系統結構示意圖

拉線編碼器作為測量的主體，利用拉線編碼器的測試拉線長度來換算機器人末端執行器上的點位坐標值變化，操作簡便、可靠，對環境要求低，實現方式簡單，成本低，測試設備使用壽命長，機器人運動空間大，且測得的數據準確性高，可適用于工業復雜惡劣的工作環境。

3 結語

隨著中國智能制造的發展，工業機器人向智能化和人機交互發展已成為工業機器人發展的重要趨勢。目前，工業機器人的發展受到末端執行器精度的限制。機器人精度誤差的測量方法將成為未來該領域的研究熱點。文章就影響機器人誤差的主要因素，誤差的主要測量方法進行了梳理，比較了各種測量方法的特點、優劣與應用場合，具有一定現實意義。