簡(jiǎn)介

    隨著機(jī)器人變得日益成熟，它們已經(jīng)能夠應(yīng)用到處理越來(lái)越多的工業(yè)工序。6自由度（6Dof）機(jī)器人能夠執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作，因而可以在許多復(fù)雜的工業(yè)任務(wù)當(dāng)中展示良好的性能，比如碼垛、搬運(yùn)、涂膠和焊接等。6自由度機(jī)器人可以提舉和靈活地操縱重型載荷，并通過(guò)復(fù)雜的幾何運(yùn)動(dòng)對(duì)載荷進(jìn)行精確操控。

    基于其良好的性能和靈活性，6自由度機(jī)器人被用來(lái)與各種工具相結(jié)合，應(yīng)用于許多不同的任務(wù)。但是，每次引入新的工具時(shí)，都需要進(jìn)行精確的重新校準(zhǔn)，然后才能發(fā)揮這種機(jī)器人的能力。重新校準(zhǔn)經(jīng)常既耗費(fèi)時(shí)間又不準(zhǔn)確，妨礙了工業(yè)過(guò)程的順利運(yùn)作，對(duì)生產(chǎn)造成拖延。

    Servotronix創(chuàng)造了一種有效的位置示教方法，可以對(duì)6自由度機(jī)器人所使用的新工具進(jìn)行快速校準(zhǔn)，并且不必依賴(lài)制造商測(cè)量或外部傳感器。該方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)際應(yīng)用非常有效。

校準(zhǔn)

    6自由度機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要對(duì)工具進(jìn)行保持和移動(dòng)。為了達(dá)到令人滿意的性能，機(jī)器人在工作時(shí)必須知道工具的精確位置。每次裝配不同工具時(shí)，機(jī)器人都必須再次精確地校準(zhǔn)。

    校準(zhǔn)6自由度機(jī)器人有不同的方法。比如與參考部件接觸，使用距離傳感器，以及使用激光干涉儀測(cè)量等。此外，可以將外部傳感器，比如攝影系統(tǒng)，裝在機(jī)器人的不同位置，以便獲取機(jī)器人校準(zhǔn)參照物體的精確位置。

    這些方法既耗費(fèi)時(shí)間，又比較復(fù)雜。Servotronix開(kāi)發(fā)了一款更加簡(jiǎn)單的方法，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了卓越的結(jié)果。以下我們將對(duì)該方法加以說(shuō)明。

確定工具中心點(diǎn)

    我們使用運(yùn)動(dòng)學(xué)校準(zhǔn)方法來(lái)確定工具中心點(diǎn)（TCP），所有機(jī)器人定位都是以該點(diǎn)為基準(zhǔn)加以定義。TCP定義在世界坐標(biāo)系下 – 可對(duì)世界上的任何一點(diǎn)進(jìn)行定位的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng) 。該坐標(biāo)系統(tǒng)相對(duì)于所述機(jī)器人將始終保持靜止。

工具坐標(biāo)系

    工具坐標(biāo)系定義了工具的位置和姿態(tài)，并且將坐標(biāo)的零點(diǎn)設(shè)在工具的中心點(diǎn)（TCP）。機(jī)器人的TCP將會(huì)隨著其執(zhí)行笛卡爾運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)到已編程位置。更換工具將會(huì)改變工具的坐標(biāo)系，因此需要重新校準(zhǔn)，以便使新的TCP準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。

    在許多機(jī)器人應(yīng)用當(dāng)中，TCP的運(yùn)動(dòng)軌跡意味著機(jī)器人工作空間內(nèi)的復(fù)雜路徑，通常為一條變姿態(tài)的工具直線路徑。此工具本身需要偶爾更換，甚至需要頻繁更換。每次更換工具時(shí)，在機(jī)器人恢復(fù)操作之前，必須確定并配置一組新的幾何參數(shù)。

    在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于機(jī)器人任務(wù)編程來(lái)說(shuō)，位置示教是最實(shí)用的方法。使用這種方法時(shí)，必須具備高精度的工具參數(shù)（通常來(lái)自制造商），包括工具的角偏移（偏航，俯仰和翻滾）以及笛卡爾偏移，以便生成具有可控的工具姿態(tài)的直線路徑。

    但不幸的是，操作者經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)工具的幾何參數(shù)識(shí)別會(huì)受到某些制約，比如說(shuō)：（1）沒(méi)有來(lái)自制造商關(guān)于工具尺寸的資料；（2）沒(méi)有可用的硬件協(xié)助；（3）無(wú)法得知如何將工具安裝到機(jī)器人法蘭。在面臨這些限制時(shí)，每次更換工具，操作者都必須浪費(fèi)大量時(shí)間去校準(zhǔn)工具。

精確評(píng)估簡(jiǎn)化標(biāo)定

    Servotronix已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，用于快速和精確地估算工具幾何參數(shù)，無(wú)需外部傳感器、視覺(jué)或其他協(xié)助，也無(wú)需拆卸工具。在這種位置示教方法當(dāng)中，操作者只需將6自由度機(jī)器人的TCP放在幾個(gè)不同的位姿，然后自動(dòng)輸入Servotronix的工具尺寸評(píng)估算法。該算法可以快速確定新工具的精確校準(zhǔn)參數(shù)，從而使工具快速投入使用。

    這種校準(zhǔn)方法的精度將會(huì)隨著工具位姿樣本的增加而提高。我們的實(shí)驗(yàn)表明，使用逆齊次轉(zhuǎn)換矩陣未必能夠生成期望的結(jié)果，但使用最小二乘法將可產(chǎn)生精確的校準(zhǔn)值。

Servotronix的方法

    我們使用一個(gè)配有工具的6自由度機(jī)器人，六個(gè)Servotronix高性能CDHD伺服驅(qū)動(dòng)器，以及Servotronix softMC控制器進(jìn)行測(cè)試。我們的方法只涉及分析計(jì)算而無(wú)需拆卸工具。我們只評(píng)估XYZ尺寸，并且假設(shè)工具的端點(diǎn)處于恒定的笛卡爾坐標(biāo)位置。

    不證自明的是，所有指向同一位置的機(jī)器人姿態(tài)必須位于一個(gè)球體上，并且工具端點(diǎn)位于球體中心：

    通過(guò)對(duì)球體上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即可計(jì)算TCP。

其中t代表中心

R2 = (X - Xt)2 + (Y - Yt)2 + (Z – Zt)2

    在方程（1）當(dāng)中有四個(gè)未知參數(shù)（R，Xt，Yt，Zt）。X，Y，以及Z值是通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解加以計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)可接受的精度，我們的方法要求至少使用四個(gè)點(diǎn)來(lái)定義一個(gè)球體。因此，四個(gè)這樣的設(shè)置將是：

R2 = (X1 - Xt)2 + (Y1 - Yt)2 + (Z1 – Zt)2

R2 = (X2 - Xt)2 + (Y2 - Yt)2 + (Z2 – Zt)2

R2 = (X3 - Xt)2 + (Y3 - Yt)2 + (Z3 – Zt)2          

R2 = (X4 - Xt)2 + (Y4 - Yt)2 + (Z4 – Zt)2

    通過(guò)使用方程減法，我們不僅可以消除未知變量R，并且可以清除方程中的所有非線性組分。這將會(huì)生成一組1次多項(xiàng)式方程，可以通過(guò)最小二乘法擬合進(jìn)行求解。如果采用的點(diǎn)多于4個(gè)，將會(huì)產(chǎn)生更多的方程和更高的精度。

這種按部就班的方法僅需幾分鐘時(shí)間即可完成，共需進(jìn)行至少四次測(cè)量，如下所示：

總結(jié)

    Servotronix的方法快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)，可以無(wú)需拆卸工具進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法無(wú)需專(zhuān)用硬件，可以節(jié)省新工具安裝所需的時(shí)間和精力。機(jī)器制造商可以很方便地使用這種方法，對(duì)6自由度機(jī)器人的工具進(jìn)行快速、精確和幾乎無(wú)成本的再校準(zhǔn)，從而增強(qiáng)機(jī)器人在廣泛應(yīng)用中的操作平穩(wěn)性，加快生產(chǎn)速度。