浅谈柔性制造中工业机器人的高精度定位方法

杨程

【摘 要】在工业机器人高精度控制的基础上构建柔性制造单元或是柔性生产线，实现工业机器人产生控制制造的快速化、柔性化和自动化生产。对于我国现代工业行业的产业转型升级，以及提高中国创造具有重要的意义。如何实现柔性制造的工业机器人的高精度定位提升的思路和方法，对于我国现代工业的机械化、智能化生产提供一定的技术和理论支持。

【关键词】现代工业；柔性制造；工业机器人；高精度控制

中图分类号： TP242.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.006

Discussion on high-precision positioning method of industrial robot in flexible manufacturing

YANG Cheng

（Hubei Transportation Vocational and Technical College， Hubei Wuhan 430070， China）

【Abstract】Based on the high precision control of industrial robots， flexible manufacturing units or flexible production lines are constructed to realize the rapid， flexible and automated production of industrial robots. It is of great significance for the industrial transformation and upgrading of China's modern industrial industry and the improvement of China's creation. How to realize the high-precision positioning and upgrading of flexible manufacturing industrial robots provides certain technical and theoretical support for the mechanization and intelligent production of modern industry in China.

【Key words】Modern industry； Flexible manufacturing； Industrial robots； High-precision control

随着2015年我国正式公布的工业4.0规划，其中明确指出制造业在我国国民生产总值中的主体地位，强调了制造业对于提升我国综合国力，同时也提出要能够在工业制造中实现智能设备和产品的制造发展。而以工业机器人为代表的自动化设备平台以其高度灵活性和编程性特点，能够满足批量化的生产需求，还可以实现批量多产品的快速更换生产制造。但是工业机器人仍是以面向工业领域的多关节机械手多自由度的机器装置，其运动精度和动态特性等还不能够满足当下一个工业生产线的柔性配置和制造系统，因而要求能够展开对面向现代柔性制造的工业机器人高精度技术的相关内容研究。

1 工业机器人的应用现状

对于我国社会发展而言，其拥有全球最广阔的工业机器人应用市场，并且随着我国工业产业结构的转型升级和人口红利的退减，导致的中国机器人应用市场的快速发展。并且可以预见在未来我国工业机器人的范围和使用将会呈现出柔性化、智能化等方向发展。

我国正在尽力推动自动化的工业生产模式，即将柔性制造同工业机器人相结合，提高生产效率和生产质量问题。在未来工业机器人主要的发展方向为实现精密化、柔性化、智能化和软件应用开发为一体的工业机器人研发生产，从而达到对工业生产过程实施检测、控制、优化和调动等全过程的自动化管理。如机器人动力学及仿真等先进的制造技术，实现工业机器人的综合性发展。这对于面向现代柔性制造的工业机器人高精度控制方法的研究具有重要的理论支持，我国将全力提供技术支持、资金支持工业机器人满足社会生产需求。

2 当前影响工业机器人高精度发展的因素分析

工业机器人在柔性制造中的广泛应用的核心因素在于其绝对定位精度低、长期稳定性差等方面。由于影响工业机器人绝对定位精度的因素的多样的，实现对其的定位误差的影响因素的分析，可以有效的提升工业机器人高精度控制。第一是机器人运动学模型的参数的设定帶来的绝对定位精度的差异，机器人运动学模型的参数设定会产生杆件长度误差、关节码盘的灵位检查等等，这些偏差会导致定位的不精准，因而当前主要是通过对机器人运动学模型中的各种参数的零偏差设定，来实现对其高精度化控制；下图为工业机器人的d-h坐标辅助机器人展开精准度的定位运动。

第二是工业机器人内部结构中出现的负载变形带来的影响，如机器人主要是在实现杠件力学

柔性形变、高速运动过程中残生的附加内应力、末端执行器等都会导致待加工零件受力变形，从而带来其工作的精度的不准确，要求能够在工业机器人研发设计中，减少代加工零件受力变形的程度。第三是控制环境因素对于工业机器人的定位精度影响，在现实中，工业生产的场所的温度大小、湿度情况都都会影响工业机器人的定位精度问题因而要求能够实现定位误差补充设定。

3 柔性制造中工业机器人高精度定位方法分析

针对上述提到的影响工业机器人高精度控制的因素可知，当前主要采用的精度误差补充设定有以下几点；

3.1 基于机器人模型的标定方法

基于模型的标定方式主要是通过在工业机器人建模、测量和参数识别层面上的校准补偿。该方法主要运用于由于运动学模型的参数误差，根据工业机器人而言，运动学模式的参数误差问题不能够直接用定位误差修正方式，这是因而模型中的相关参数都是非线性耦合的，这些参数之间相互影响，单纯的实现某一个参数的可靠性和精度的调整是不可能的。同时也是因为机器人的运动学的关节角的该变量的不定性所影响，当前可以对其的运动末端的位姿进行求解，主要方式如下：

通过公式可以求得8个解，对无效解进行剔除，在余下的有效解中，选取最接近与当前机器人关节位置的解，就是最终解。根据这一结构特点和求解方式，可以分析其的高精度控制方式可以采用分层、多级的补偿测量，采用逐层逐级的补偿和参数修正。如利用试验中出现的误差建模方式来对参数因素等误差进行标定，继而建立合理的运动学误差模型来准确描述真实的误差情况，从而提高两者之间的相互耦合概率。模型的影响因素数量同参数辨识之间成正比，为了改变该现象，可以从增加鲁棒性即增加参数辨识的可靠性来分离出对末端精度影响最大的因素进行辨识和补偿。

3.2 工业机器人的非模型标定方法

工业机器人中定位精度的影响因素的标定方式很多，采用费默星标定方法可以通过曲线拟合、神经网络等方法对工业机器人局部空间内位的误差进行评估和补偿。（1）是采用曲线拟合的定位误差标定和控制。曲线拟合的误差标定法主要的流程是通过误差测量、曲线拟合和误差插补三个步骤，首先是通过对工业机器人作业空间中的姿态下的位姿误差进行测量，利用曲线拟合法构建机器人在作业空间中存在的位姿误差分布曲线情况，将其补偿到既定的目标位姿上；（2）是基于空间插值的定位误差标定的方式。空间插值的定位误差标定是将工业机器人的作业空间进行立体网格化的区分划定，并且通过测量设备测得各个网格节点处的位姿误差，从而建立起机器人的定位误差数据库。（3）是基于审计网络的定位误差标定，使用神经网络方法提高工业机器人的高精度控制能够对于多参数耦合的工业机器人的运动学模式的表述。如利用神经元网络对于多组不同关节角度的末端执行器的空间位姿进行信息的收集和模拟，利用这些信息形成对机器人的神经网络的控制网来达到对关节角的补偿。

3.3 基于高精度外部观测设备的实时精确定位

对于工业机器人面对柔性制造现场所呈现的定位漂移问题可以采用高精度外部观测设备对机器人的末端工具进行精确定位的方式，来展开对定位漂移的有效脚掌。如利用光学三坐标测量机，实现对机器人末端执行器位置在工作环节中出现的漂移的校对。当前主要采用的测量其主要有激光跟踪仪、IGPS等方式进行测量，采集到多维的数据信息，由此展开评估补偿。

总而言之，当前在面向现代柔性工业机器人的高精度控制方法中，基于运动学模型的评估和补偿方式是较为简单且技术成熟的一种，但是其仍旧存在一些问题，如模型的不定性、机器人在工作环境中不能够对某些防伪进行有效的补偿。而实现对外部测量设备的精度提高方式则能够有效的发挥工业机器人当前的设计制造特性，按照机器人的制造的设计原理对其定位误差的分布规律等进行摸索排查。因而说在实现工业机器人的高精度控制方法要求能够综合展开上述三种方式的协调统一，避免出现某一技术方式短板所带来的精度不精准的问题。

4 结语

综上所述，针对于现代柔性制造产业，如航空航天制造业，其所制造的工业零件具有品类多、批量小以及精度要求高等特点，传统的生产制造方式不能够全面满足这些生产需求特点，导致航天航空企业发展的成本较大、产品的质量和响应速度受到影响。因而实现工业机器人的高精度定位方法的优化发展，实现高精度補偿技术，提高柔性制造水平，能够为对航空航天制造领域在内的柔性制造行业提供新的动能，也可以预见，在现代柔性制造行业发展的带动下，工业机器人的精准度较为得到较大程度的提升，而工业机器人将会得到较大的发展空间。

【参考文献】

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