工业机器人误差影响因素及测量方法研究

龚家勤，李梦奇，邓 倖之

（邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

工业机器人作为工业生产自动化的典型代表，广泛应用于自动化工业的各个领域，如电弧焊、点焊、搬运等。目前工业机器人在大批量自动化的生产中已经替代传统人工完成了高质量的自动化工作，提高了产品批量生产的效率和质量，因此对于工业机器人在正常工作时，在速度和空间上的准确定位、运动速度、加速度的误差大小和定位精度都有严格的规定和要求。一般来说，工业机器人在生产和出厂时都需要对其定位精度和误差进行标定，同时还要通过检测机器人在运动过程中的运动速度和空间加速度，选择合适的误差测量方法来确定和提高工业机器人的定位精度，这就显得尤为重要。

1 影响工业机器人误差的因素

造成工业机器人误差的主要影响因素非常复杂，一般将这些影响机器人误差大小因素大致分为两种，静态因素和动态因素。其中静态因素一般定义为不随工业机器人的运动而发生改变的因素。而相对应地，动态因素可以定义为会随着工业机器人的运动而发生变动的因素[1]。

1.1 静态因素

影响机器人误差大小的静态因素主要包括：

（1）连杆结构参数的误差。由于机器人的各个组成部分在零件加工与装配过程中的结构误差常常难以避免，致使机器人的连杆结构参数的理论值与实际的参数值之间往往存在着较大的误差，进而直接导致机器人末端的执行器位置发生了偏差。

（2）工作环境温度的误差。如果机器人工作环境中的温度和空气湿度发生变化，将直接导致机器人的各连杆长度以及执行器的硬度尺寸发生微小的变化，长期使用引起的零件磨损也可能会直接导致末端机器人各连杆和零部件的长度和尺寸的位置发生变化，从而直接导致机器人的末端各连杆和执行器的位置产生误差。

（3）关节运动误差。主要原因包括传动关节由于运动副磨损原因引起的固有运动角误差和关节运动角误差。传动关节误差主要是来源于伺服驱动电机、减速器等齿轮传动装配机构的齿轮与传动关节误差、齿轮的关节间隙与传动关节间隙的挠性。为了有效减小齿轮传动关节误差对机器人运动精度造成的影响，工业高精密机器人的传动关节大都是采用直流伺服驱动电机和谐波驱动的减速器组合为一体的技术设计，使得传动关节的装配可以达到很高的装配精度，关节的间隙可以通过较高的齿轮装配传动精度，或者是采用高精密材料进行加工的减速器实现，有些高精密的机器人因为采用直接由电机驱动的技术而直接省去了减速器。

（4）计算机和控制系统误差。主要包括计算机编程的方法和控制算法有关的控制系统误差，主要是指直接根据求解的算法和控制算法在计算机内的运算字长所直接造成的比特误差。比特误差与传统控制机构的误差相比，小到可以忽略不计。

（5）标定位置和传感器的误差。主要包括分辨率和标定位置误差等，主要是指由于分辨率传感器、位置传感器等引起的误差，在机器人执行器端工作时所能得到的空间分辨率和位移最小值。分辨率的误差意味着在该最小值之下的空间位移最小值无法精确地被感知。

1.2 动态因素

影响机器人误差大小的动态因素主要包括：

（1）指令误差。包括插补误差、圆整累积误差和拟合误差等。

（2）各类机械臂传动受力和轴向弹性关节误差。主要包括机器人自重、惯性和内力、外力等多种因素作用引起的机器人关节和各机械臂的弹性变形、齿轮的受传动误差和关节传动间隙等。

（3）模拟关节数字码盘精度数字自动读取时的精度计算误差。主要因素包括采用机器人模拟关节数字码盘自动读取的计算精度、机器人数字关节码盘精度与微控制器的数字自动控制和文字数据处理分辨的结合能力，编程能力、计算机舍入数据精度的计算误差等。

2 工业机器人误差测量方法

国内外学术界对机器人定位误差测量的认识和研究由来已久。常用的误差测量装置有经纬仪、球杆、三坐标测量机和激光跟踪仪等。常见的测量方法主要可以归纳为三类：基于机器人的视觉图像处理技术的测量方、基于激光跟踪仪测量方法和基于拉线编码器测量方法。

2.1 基于机器视觉处理技术测量方法

机器视觉处理技术本身就是模拟人类视觉采集外界信息并处理信息的过程，被认为是机器控制系统的重要反馈环节。所谓的机器视觉是通过先进的图像采集技术和利用图像信号分析技术获取物体的形状等信息，并将其信息传输反馈给机器人的自动控制系统。其主要目的之一就是使机器人能够从单个或一系列二维的图像中准确读取和计算出物体的形状、大小、空间以及位置移动。但是由于容易受到摄像光线等的影响，测量的精度低，所以实际应用时，需考虑工作环境对测量精度的影响。

2.2 基于激光跟踪仪测量方法

众所周知，激光跟踪仪具有图像分辨率高、工作范围空间大、非接触测量、性能稳定、原理简单等一系列优点，被广泛应用于工业机器人系统的目标定位精度测量。在机器人的测试和准备阶段，激光跟踪仪的优点是将靶球直接安装在一个机器人手臂末端执行器的固定装置上。根据末端固定装置的类型，可以同时放置多个靶球，适用于机床上和工业机器人系统的目标定位和跟踪测量以及动静态位姿的测量。激光跟踪仪的缺点是反射的光束必须在整个机器人测量的过程中连续反射可见。如果光束反射中断，则必须从头开始重新固定装置测量，并且其成本也较高，一般运用于工业机床上。

2.3 基于拉线编码器测量方法

基于拉线编码器测量系统的硬件结构包括工业机器人，数据采集单元，测量单元和计算机，如图1所示。测量单元包括测量适配器和测量杆，测量适配器的机械结构由四个爪组成，它的功能是将与爪连接的四根拉线在空间上相交。测量杆用于固定拉线编码器并提供稳定的底座。数据采集单元为高频数据采集卡，通过四根测试拉线与安装在工业机器人末端执行器上的测量适配器连接，拉线编码器的信号线与数据采集卡连接，最后传输到计算机软件进行分析和计算。机器人和计算机通过以太网连接，机器人直接受计算机的远程通讯控制，完成整个测量过程。当工业机器人末端的空间位置改变时，四根测试拉线的长度也会改变，该长度的原始数据由数据采集卡实时收集。经过计算机的分析计算，获得了工业机器人末端执行器的位置信息，并在计算机软件中描述机器人的运动轨迹，计算实时速度和加速度值，并将获得的历史数据记录下来，方便后续分析处理[2]。

图1 系统结构示意图

拉线编码器作为测量的主体，利用拉线编码器的测试拉线长度来换算机器人末端执行器上的点位坐标值变化，操作简便、可靠，对环境要求低，实现方式简单，成本低，测试设备使用寿命长，机器人运动空间大，且测得的数据准确性高，可适用于工业复杂恶劣的工作环境。

3 结语

随着中国智能制造的发展，工业机器人向智能化和人机交互发展已成为工业机器人发展的重要趋势。目前，工业机器人的发展受到末端执行器精度的限制。机器人精度误差的测量方法将成为未来该领域的研究热点。文章就影响机器人误差的主要因素，误差的主要测量方法进行了梳理，比较了各种测量方法的特点、优劣与应用场合，具有一定现实意义。