原创工业机器人如何校正各臂的水平与垂直？

 2016-4-28 16:48  1672 20 20 分类: 机器人/ AI

在机器人的制造过程中，最后装配完成后必须来校正它的水平垂直，以次来定程序的参考点，目前各家企业有哪些方法，哪种更靠谱一些？

来看看工业机器人达人知乎网友@韩峰涛是怎么说的：

在多数工业机器人应用中，示教再现的编程方式仍然占据主流，这要求机器人具有较好的重复定位精度（Pose Repeatability），对其绝对定位精度则要求不高；

随着机器人应用范围的增加，越来越多的应用中要求机器具有较高的操作空间绝对定位精度，比如带视觉的系统，机器人需要根据视觉系统判断出的物体位置并准确到达目标点，考验的是机器人的绝对定位精度。

标定机械零点是提高机器人操作空间定位精度（Pose Accuracy & Linear Path Accuracy）的第一步，其目的是为了让控制算法中的理论零点与实际机械零点重合，使得机械连杆系统可以正确的反应控制系统的位置指令。（机械零点只是提高机器人定位精度的一个基础因素，其他因素可参考工业机器人控制算法的评价方法（CPA）？ - 韩峰涛的回答）

零点丢失时，机器人无法正确的执行笛卡尔空间运动。

一般在下述情况下，需要重新标定零点：

更换电机/减速器等传动部件或者机械零部件之后；
与工件或环境发生碰撞；
没在控制器控制下，手动移动机器人关节；

目前主流的工业机器人标定方法主要有以下几种：

侧倾仪（代表厂商：ABB）

当更换了电机、减速器等驱动和传动部件时，ABB会要求使用Calibration Pendulum和Levelmeter 2000套件（图1）对机器人进行重新标定，该套件多由ABB售后部门和集成商使用，普通客户一般只需执行示教器上的Updating revolution counters（更新转数计数器）操作，而该操作需要的内部数据，就是由侧倾仪标定产生的。侧倾仪本质上是两个侧倾传感器（瑞士WYLER公司出品，http://www.wylerag.com/en/products/inclination-measuring-sensors/digital-inclination-sensors/inclination-sensor-zerotronic/），ABB做了一个支架，将两个侧倾传感器集成到一个仪器内，来实现同时测量两个方向的倾角。一般在ABB机器人的大臂或者小臂上会找到一个光滑的安装面（IRB120，IRB1200等小负载机器人除外），就是用来安装侧倾仪的。对侧倾仪具体使用方法感兴趣的朋友可以参考ABB的《Operating manual – Calibration Pendulum》。

图1 ABB零点标定套装

图2 底座上使用侧倾仪

图3 大臂上使用侧倾仪

图4 输出法兰上使用侧倾仪

优点：

精度高，由于不同纬度重力加速度不同，WYLER的侧倾传感器在使用时都会要求执行回零操作。
操作简单，在ABB的控制系统中内置了与之配合的程序（Service Routine），用户只需要将侧倾仪安装到位，调用内置程序，就会自动完成回零标定。

缺点：

贵，WYLER单个侧倾传感器+LevelMeter2000约6-8w，ABB整套套件需20w+（几年前的价格，仅供参考）。
繁琐，只要更换电机或者减速器，就需要进行零点标定。

EMD（代表厂商：KUKA）

KUKA用于零点标定的设备叫EMD（Electronic Mastering Device，以前也称作EMT，从KRC4升级了），其本质上是一个高精度的位移传感器（图5）。

KUKA在机械本体上的每一个轴上都有一对大的凹槽以及一个圆孔及对应的尖型凹槽。标定时，首先利用大的凹槽进行粗定位，然后将EMD安装到圆孔上，另一端连接到KUKA的控制柜上，此时控制器会自动控制机器人以非常慢的速度运动，来寻找运动过程的最低点，也就是机械零点。具体操作过程可参考视频https://www.youtube.com/watch?v=6TVe965SPPA。

图5 KUKA EMD

图6 KUKA EMD零点标定示意图

优点：

操作简单，可靠，零点信息保存在关节上，换了电机/减速器也可以用EMD来标定。
成本较低，普通用户也可自备一套，随时可以进行校准。
在不购买EMD的情况下，也可用千分表代替，此时需人工读数判断零点。

缺点：

零点信息都保存在机械件上，对加工的精度要求非常高。
如果用千分表代替EMD，则无法实现自动寻找零点的功能。

定位销、键、凹槽（日系厂商，国内厂商）

在机械装配中，经常采用定位销与键来确定不同零部件之间的相对位置，而在简单的机器人零点标定中，也可采用这两种方式来限定不同构件之间的初始位置。如图7所示，在关节相互转动的两个构件上各有一个销钉孔，当转动关节至两个销钉孔轴线重合时，销钉即可插入，此位置即为相应关节的零点位置。而对于键定位可参照图8，在关节相互转动的两个构件上各有一个键槽，当转动关节至两个键槽对应面重合时，键可同时放入两个键槽，此位置即为相应关节的零点位置。

而采用凹槽方式进行零点标定时，只需将两个凹槽对准即可认为已到达零点位置（图9），该方法属粗定位，仅用于对机器人绝对定位精度要求不高的场合。