圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)
圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì),圓柱,坐標(biāo),工業(yè),機(jī)器人,設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開(kāi) 題 報(bào) 告
題 目 四自由度圓柱坐標(biāo)
機(jī)器人設(shè)計(jì)
專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī) 038
學(xué) 生 樓 淵
指導(dǎo)教師 謝 敬
2007 年
一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題來(lái)源、類型
來(lái)源：工程
類型：工業(yè)機(jī)器人
二、選題的目的及意義
機(jī)器人是人類19世紀(jì)的重大發(fā)明之一。據(jù)國(guó)外專家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)將是機(jī)器人技術(shù)革命的世紀(jì)，機(jī)器人作為全面延伸和擴(kuò)展人的體力和智力的手段將實(shí)現(xiàn)“當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人的應(yīng)用和普及正在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式、生活方式和作戰(zhàn)方式。在非常規(guī)和極端制造過(guò)程中，工業(yè)機(jī)器人是不可缺少的自動(dòng)化裝備。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)有很大差距，但是隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)加快實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高整個(gè)工業(yè)的自動(dòng)化水平和滿足人民生活的需要，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)將取得更大的發(fā)展。作為21世紀(jì)的中國(guó)大學(xué)生，我們將是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主干力量，也將挑起科技興國(guó)的重任。機(jī)器人技術(shù)作為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工具。
三、 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)的機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開(kāi)展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五”、“八五”“九五”機(jī)器人技術(shù)國(guó)家攻關(guān)、“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開(kāi)發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。
在機(jī)器人的單元技術(shù)和基礎(chǔ)元部件的研究開(kāi)發(fā)方面：諸如交直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、液壓（氣動(dòng)）元部件、滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、諧波減速器、RV減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開(kāi)發(fā)出一些樣機(jī)或產(chǎn)品。但這些元部件距批量化生產(chǎn)還有一段距離。
在機(jī)器人控制裝置的研制方面：已開(kāi)發(fā)出具有雙CUP、多CUP和分級(jí)分層控制的機(jī)器人控制裝置多臺(tái)，主控計(jì)算機(jī)的檔次也逐漸升級(jí)。
在機(jī)器人操作機(jī)研制方面：已開(kāi)發(fā)出一些先進(jìn)的操作機(jī)和特種機(jī)器人，如AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車），壁面爬行機(jī)器人，重復(fù)定位精度為±0.024mm的裝配機(jī)器人，可潛入海底6000m的水下機(jī)器人，移動(dòng)機(jī)器人，移動(dòng)遙控機(jī)器人，主從操作機(jī)器人等，有些已達(dá)實(shí)用化水平并用于實(shí)際工程。
在機(jī)器人的應(yīng)用工程方面：目前國(guó)內(nèi)已建立了多條弧焊機(jī)器人生產(chǎn)線，裝配機(jī)器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊裝生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)研發(fā)力量已經(jīng)具備了大型機(jī)器人工程設(shè)計(jì)和實(shí)施的能力，整體性能已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而整體價(jià)格僅為國(guó)外同類產(chǎn)品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價(jià)格比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。總趨勢(shì)是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)（RT）概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)”。目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。
四、 本課題主要研究?jī)?nèi)容
1) 電機(jī)的選擇及傳動(dòng)比的確定：
按照數(shù)控機(jī)床選用電機(jī)的原則選用機(jī)器人的電機(jī)，經(jīng)過(guò)查閱各種資料，結(jié)果如下：
在兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和手腕關(guān)節(jié)中用步進(jìn)電機(jī)：
步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它每接受數(shù)控裝置輸出的一個(gè)電脈信號(hào)，電機(jī)機(jī)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，步距角成為。步距角一般為0.5?！?。，角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格的比例關(guān)系，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比。
步距角 θ。=360/PZK 式中，P為相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子的步數(shù)；K為通電方式，當(dāng)三相三拍導(dǎo)電方式時(shí)K=1,三相六拍導(dǎo)電方式時(shí)K=2.
而腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)因?yàn)槠涔β瘦^大，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器和一對(duì)減速齒輪驅(qū)動(dòng),選用原則是：
T=Jn*an*KA 式中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，a為加速度，KA 為公況系數(shù)
2) 手爪的結(jié)構(gòu)及夾緊力的計(jì)算：
因?yàn)楣ぜ馁|(zhì)量不重，且沒(méi)有夾緊力不能過(guò)大的規(guī)定，擬采用齒輪齒條平行連桿式平移夾持器 。
其夾緊力FN 與驅(qū)動(dòng)力FP的關(guān)系為：
FN=FPR/2Lcosθ
并且采用氣動(dòng)夾緊方式，因?yàn)榇斯ぷ鬟^(guò)程對(duì)穩(wěn)定性的要求小，而經(jīng)氣動(dòng)夾緊方式濟(jì)實(shí)惠，其缺點(diǎn)就是噪音太大。
3) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的繪制：
機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的確定，有利于運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算，對(duì)機(jī)器人的控制有著重要意義。
4) 剛度強(qiáng)度的校核：
在結(jié)構(gòu)初步確定后，就可以初步確定各個(gè)零件的尺寸了，這時(shí)就要進(jìn)行重要零件剛度強(qiáng)度的校核，其中包括軸承的校核，齒輪的校核，以及重要軸的校核。
五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）
首先按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)、資料以及優(yōu)秀論文，仔細(xì)的研究工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程及各種參數(shù)的計(jì)算方法，并通過(guò)研究原始參數(shù)，確定大致的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)過(guò)程。然后經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算，確定設(shè)計(jì)參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)方程的構(gòu)建，電機(jī)的選擇，傳動(dòng)比的確定，減速器的結(jié)構(gòu)，手爪夾緊力的計(jì)算等，接著按要求設(shè)計(jì)完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定具體的結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸并進(jìn)行剛度、強(qiáng)度的校驗(yàn)，最后用 Aoto-CAD做出具體的裝配圖、四個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖及重要零件的零件圖
六、本課題進(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)
第五周：搜集、查找有關(guān)機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)及資料，掌握文獻(xiàn)檢索步驟、方法，學(xué)會(huì)對(duì)文獻(xiàn)篩選和應(yīng)用。
第六周：查找機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)、確定方案，完成開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述。
第七～八周：完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析。完成四個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇、減速器的參數(shù)選擇計(jì)算。完成機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與夾緊力，驅(qū)動(dòng)力大小選擇計(jì)算。
第九～十周：繪制整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
第十一～十二周：繪制機(jī)器人底座旋轉(zhuǎn)，大臂伸縮，小臂伸縮及手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
第十四～十五周：撰寫畢業(yè)論文、中英文摘及外文翻譯。
第十六周：準(zhǔn)備答辯?！ ?
七、指導(dǎo)教師意見(jiàn)
對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見(jiàn)
負(fù)責(zé)人：
03屆機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文獻(xiàn)綜述
題 目 四自由度圓柱坐標(biāo)
機(jī)器人設(shè)計(jì)
專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)設(shè)033
學(xué) 生 樓 淵
指導(dǎo)教師 謝 敬
2 0 0 7 年
文 獻(xiàn) 綜 述
一、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的背景及其意義
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái),機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動(dòng)化工廠( FA) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣,工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及的過(guò)程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。
1. 驅(qū)動(dòng)方式的改變
20世紀(jì)70年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過(guò)程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒(méi)。近年來(lái)，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。
2. 信息處理速度的提高
機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過(guò)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，C P U的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制20多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。
3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展
機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測(cè)自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來(lái)，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況
1. 國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r
機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備, 技術(shù)附加值很高, 應(yīng)用范圍很廣, 作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè), 將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。國(guó)外專家預(yù)測(cè),機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)UNECE (聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì))和IFR (國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì))統(tǒng)計(jì),從20 世紀(jì)下半葉起,世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭,進(jìn)入90 年代,機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快,年銷售量增長(zhǎng)率平均在10%左右; 2004年增長(zhǎng)率達(dá)到了創(chuàng)記錄的20% ,其中,亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出,增長(zhǎng)43% 。UNECE估計(jì), 2004 年全球至少安裝了10 萬(wàn)臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。其中:
· 歐盟31 100臺(tái)(比2003年增加15% ,但比2001年的記錄僅增加1% ) ;
· 北美16 100臺(tái)(比2003年增加27% ,比2000年的記錄高24% ) ;
· 亞洲51 400臺(tái),主要在日本,但中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速(比2003年增長(zhǎng)24% ) 。
美國(guó)是機(jī)器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人,比起號(hào)稱機(jī)器人王國(guó)的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一。據(jù)UNECE和IFR統(tǒng)計(jì), 2004年美國(guó)新安裝工業(yè)機(jī)器人12 693臺(tái),預(yù)計(jì)到2007年底,新安裝的工業(yè)機(jī)器人將達(dá)15 900臺(tái)。至2003年末,在北美運(yùn)行的機(jī)器人總量為112 390臺(tái),比2002年增長(zhǎng)7% ,預(yù)計(jì)至2007年6美國(guó)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總量將達(dá)到145 100臺(tái)。
就每萬(wàn)名雇員擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),至2003年末,在美國(guó)制造業(yè)中,每1萬(wàn)名雇員有63個(gè)工業(yè)機(jī)器人。作為對(duì)比,德國(guó)為148個(gè),歐盟為93個(gè)。在美國(guó)汽車工業(yè)中,每萬(wàn)名產(chǎn)業(yè)工人擁有740個(gè)工業(yè)機(jī)器人,但這個(gè)數(shù)字還是遠(yuǎn)低于日本( 1 400個(gè)機(jī)器人) 意大利(1 400個(gè)機(jī)器人)和德國(guó)( 1 000個(gè)機(jī)器人)。
日本素有“機(jī)器人王國(guó)”之稱,其工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展令人矚目,無(wú)論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一。在其經(jīng)歷了短暫的搖籃期之后,快速跨過(guò)實(shí)用期,邁入普及提高期。在20 世紀(jì)80 年代至90年代初期,日本的工業(yè)機(jī)器人可謂處于繁榮鼎盛時(shí)期,似乎無(wú)所不能。然而,花無(wú)百日紅,自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,隨著歐洲和北美工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的崛起,國(guó)際市場(chǎng)的格局發(fā)生了明顯的變化,從日本轉(zhuǎn)向了歐洲和北美。在度過(guò)了幾年的低迷期之后, 21世紀(jì)初日本的工業(yè)機(jī)器人又開(kāi)始重新煥發(fā)生機(jī),尤其是伴隨著中國(guó)和其他周邊國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的增長(zhǎng),以及日本本國(guó)早年工業(yè)機(jī)器人因服務(wù)期限而帶來(lái)的更新?lián)Q代,預(yù)期將對(duì)日本工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展發(fā)揮積極的作用。據(jù)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì), 2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人的定單較去年增長(zhǎng)了1718% ,達(dá)到4 99516億日元(48億美元) ，是連續(xù)第三年大幅度增長(zhǎng)。2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為4 45813億日元,同比增長(zhǎng)13.4%。2005年第一季度,日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為1 289億日元,較去年同期增長(zhǎng)13.6%。
從日本工業(yè)機(jī)器人出口情況看, 2004年出口量為2 788億日元(27億美元) ,較2003年大幅增長(zhǎng)20.7% ,其主要原因在于中國(guó)和其他亞洲國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的大幅增長(zhǎng)。從日本國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)看,日本是工業(yè)機(jī)器人最大的消費(fèi)國(guó)。日本2004 年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人出貨量為1 67012 億日元,比上年小幅增長(zhǎng)了3% ,新安裝工業(yè)機(jī)器人為33 200 臺(tái)。
2. 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)機(jī)器人研究與應(yīng)用起步于二十世紀(jì)70年代初，1986年，“智能機(jī)器人”被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），經(jīng)過(guò)近二十年的不懈努力，取得了一系列令世界矚目的科研成果。隨著以國(guó)家863機(jī)器人技術(shù)主題為主的國(guó)家相關(guān)部門對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步推動(dòng)，必將對(duì)我國(guó)創(chuàng)建“以人為本”社會(huì)發(fā)展模式和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各類主要機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從大型的工業(yè)機(jī)器人到小型的納米機(jī)器人，從代表國(guó)家最高科技水平的登月機(jī)器人到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教育機(jī)器人，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在中國(guó)正進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景。
中國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，以其低成本的勞動(dòng)力奠定了在國(guó)際制造業(yè)中的地位，號(hào)稱“世界工廠”。但是，隨著經(jīng)濟(jì)快速全球化以及信息技術(shù)飛速發(fā)展，單純地依靠勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)模式已經(jīng)滿足不了對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)等日益提高的要求，提高制造業(yè)的技術(shù)與資金密集度是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)。實(shí)踐證明，通過(guò)信息化帶動(dòng)工業(yè)化是中國(guó)繼續(xù)保持國(guó)際制造業(yè)大國(guó)并轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)的唯一出路。工業(yè)機(jī)器人作為重要的自動(dòng)化基礎(chǔ)裝備，是制造業(yè)信息化發(fā)展的基石。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)互相滲透、融合，應(yīng)用于制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的改造，使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生“脫胎換骨”式的飛躍，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力。
三、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用
1. 仿人機(jī)器人
仿人機(jī)器人具有可移動(dòng)性、超多的自由度、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)處理能力，可以完成更復(fù)雜的任務(wù)。但對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性，建立包含語(yǔ)音、視頻等多媒體信息的多功能遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，都提出了更高的要求。以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線作為在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種總線，具有成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好等特點(diǎn)，非常適合用來(lái)搭建仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
2. 機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用
機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的機(jī)器人遙控操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著Internet 的迅猛發(fā)展，它在其它許多領(lǐng)域中也有良好的應(yīng)用前景，如遠(yuǎn)程制造業(yè)、分布式制造系統(tǒng)、自主機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域。
(1)機(jī)械加工機(jī)器人：在多品種、大批量、效率低下的生產(chǎn)線上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制生產(chǎn)過(guò)程，謀求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化；通過(guò)機(jī)器人收集現(xiàn)場(chǎng)工況信號(hào)，使運(yùn)送、裝卸工件、切屑處理等工序流程均處于遠(yuǎn)程監(jiān)視之下，控制信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳送到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人完成生產(chǎn)過(guò)程的控制。
（2）工業(yè)裝配機(jī)器人：在裝配作業(yè)過(guò)程中，往往有視覺(jué)、觸覺(jué)等感知功能的運(yùn)用。這些信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人采集后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，由遠(yuǎn)方工作人員來(lái)操控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的動(dòng)作，完成裝配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的遠(yuǎn)程控制。
(3)噴漆機(jī)器人：與其它作業(yè)的機(jī)器人不同(其它作業(yè)的機(jī)器人只需正確控制動(dòng)作，即控制定位精度、軌跡模仿精度和速度就已足夠)，噴漆機(jī)器人在進(jìn)行噴漆作業(yè)時(shí)還要評(píng)價(jià)噴漆完成的狀態(tài)，需不斷采集工件噴漆后的圖像信息，把這些信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，實(shí)現(xiàn)噴漆作業(yè)的遠(yuǎn)程控制，可以大大提高噴漆作業(yè)的精度和速度。
(4)焊接機(jī)器人：在焊接生產(chǎn)中可提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的一致性，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了高度柔性化生產(chǎn)的要求。因此，焊接機(jī)器人廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，如汽車制造和汽車零部件、摩托車制造、工程機(jī)械、機(jī)車車輛、家用電器等行業(yè)。
3. 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用
基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人的思想是由Ken Goldberg 于1994 年春首先提出，具有以下一些特點(diǎn)：一是涵蓋現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)兩方面的內(nèi)容，并且將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；二是建立在Internet 的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地具有Internet特有的一些功能，擁有良好的人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；三是以HTTP 作為控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，其系統(tǒng)控制軟件具有良好的可移植性和互用性，可以使用一個(gè)服務(wù)器供不特定的多個(gè)用戶在網(wǎng)絡(luò)上任意使用。四是由于網(wǎng)絡(luò)的存在，網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)使得機(jī)器人系統(tǒng)中必需的多數(shù)控制軟件可以分散配置，機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)也可以分散進(jìn)行，更容易實(shí)現(xiàn)。
四、目前仍存在的問(wèn)題和解決的思路
工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展需要克服眾多困難，其中很重要的一個(gè)就是認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤。就我國(guó)絕大多數(shù)制造廠家而言，對(duì)機(jī)器人如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)成本方面缺乏相應(yīng)的了解和認(rèn)識(shí)。這種認(rèn)識(shí)上的缺乏導(dǎo)致許多人抱著一個(gè)錯(cuò)誤的觀念，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)沒(méi)有市場(chǎng)。但是實(shí)際情況卻正好相反。最近幾年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人使用量呈大幅上升趨勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人的使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的汽車和工程機(jī)械行業(yè)向其它制造類行業(yè)快速擴(kuò)散。
目前，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強(qiáng)。為了全面提升我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，必須加快推進(jìn)制造業(yè)信息化。將網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)信息化、提高本國(guó)制造業(yè)的國(guó)際影響力，完成“用信息化帶動(dòng)制造業(yè)現(xiàn)代化，用高新技術(shù)改造制造業(yè)，以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)跨越發(fā)展”的戰(zhàn)略目標(biāo)，有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)用前景十分廣闊，將來(lái)大有可為。
五、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究從“七五”開(kāi)始起步，近十幾年來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然因?yàn)楣I(yè)基礎(chǔ)方面的原因，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人本體的生產(chǎn)水平方面與國(guó)外還有較大差距，但在機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)集成等方面，與國(guó)外先進(jìn)水平的差距已經(jīng)不大。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)在許多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的招標(biāo)項(xiàng)目中已經(jīng)可以和國(guó)外著名企業(yè)抗衡。目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已經(jīng)逐步走向成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來(lái)越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國(guó)制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。
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應(yīng)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)姿態(tài)的標(biāo)定
Morris R. Driels, Lt W. Swayze USN and Lt S. Potter USN
Department of Mechanical Engineering, Naval Postgraduate School, Monterey, California, US
這篇文章報(bào)到的是用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定中能獲得全部姿態(tài)的操作裝置——坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由于操作器得到發(fā)展, 它們關(guān)系到基坐標(biāo)和工件。 工件姿態(tài)從實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的引出是討論, 同樣地是識(shí)別方法學(xué)。允許定義觀察策略的完全模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)工作是描寫參數(shù)辨認(rèn)和精確確認(rèn)。推論原則是那方法能得到在重復(fù)時(shí)近連續(xù)地校準(zhǔn)機(jī)器人。
關(guān)鍵字：機(jī)器人標(biāo)定；坐標(biāo)測(cè)量； 參數(shù)辨認(rèn)；模擬學(xué)習(xí)； 精確增進(jìn)
1. 前言
機(jī)器手有合理的重復(fù)精度 (0.3毫米)而知名, 仍有不好的精確(10.0 毫米)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器手精確性，機(jī)器人可能要校準(zhǔn)也是好理解 [1]. 在標(biāo)定過(guò)程中， 幾個(gè)連續(xù)的步驟能夠精確地識(shí)別機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，提高精確性。 這些步驟為如下描述：
1 操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和標(biāo)定過(guò)程本身是發(fā)展，和通常有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的工具實(shí)現(xiàn)的[2]。 作為結(jié)果的模型是定義基于廠商的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤量, 和識(shí)別未知的,實(shí)際的參數(shù)設(shè)置。
2 機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量法(部分的或完成) 是拿走為了獲得聯(lián)系到實(shí)際機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。
3 實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)識(shí)別是系統(tǒng)地改變參數(shù)設(shè)置和減少在模型階段錯(cuò)誤量的定義。 一個(gè)接近完成辨認(rèn)由分析不同中間姿態(tài)變量P和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)K的微分關(guān)系決定：
于是等價(jià)轉(zhuǎn)化得：
兩者擇一, 問(wèn)題可以看成為多維的優(yōu)化問(wèn)題，這是為了減少一些定義的錯(cuò)誤功能到零點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置被改變。這是標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化問(wèn)題和可能解決用的眾所周知的[3] 方法。
4 最后一步是機(jī)械手控制中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)識(shí)別和在學(xué)習(xí)之下的硬件系統(tǒng)的詳細(xì)資料。
包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的這張紙用于標(biāo)度過(guò)程。 可獲得的幾個(gè)方法是可用于完成這任務(wù), 雖然他們相當(dāng)復(fù)雜，獲得數(shù)據(jù)需要大量的成本和時(shí)間。這樣的技術(shù)包括使用可視化的和自動(dòng)化機(jī)械 [4, 5, 6]，伺服控制激光干涉計(jì) [7]，有關(guān)聲音的傳感器[8] 和視覺(jué)傳感器 [9]。理想測(cè)量系統(tǒng)將獲得操作器的全部姿態(tài)(位置和方向)，因?yàn)檫@將合并機(jī)械臂各個(gè)位置的全部信息。上面提到的所有方法僅僅用于唯一部分的姿態(tài), 需要更多的數(shù)據(jù)是為了標(biāo)度過(guò)程到進(jìn)行。
2．理論
文章中的理論描述，為了操作器空間放置的各自的位置，全部姿態(tài)是可測(cè)量的，雖然進(jìn)行幾個(gè)中間測(cè)量，是為了獲得姿態(tài)。測(cè)量姿態(tài)使用裝置是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM),它是三軸的，棱鏡測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到0.01毫米的精確。機(jī)器人操作器是能校準(zhǔn)的，PUMA 560，放置接近于CMM，特殊的操作裝置能到達(dá)邊緣。圖1顯示了系統(tǒng)不同部分安排。在這部分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將是發(fā)展, 解釋姿態(tài)估算法，和參數(shù)辨認(rèn)方法。
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)
在這部分，操作器的基本運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)將被規(guī)定，它關(guān)系到完全坐標(biāo)系統(tǒng)的討論, 和終點(diǎn)模型。從這些模型，用于可能的技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的識(shí)別將被規(guī)定，和描述決定這些參數(shù)的方法。
那些基礎(chǔ)的模型工具用于描寫不同的物體和工件操作器位置空間的關(guān)系的方法是Denavit-Hartenberg方法[2]，在Hayati [10]有調(diào)整計(jì)劃，停泊處[11] 和Wu [12] 當(dāng)二連續(xù)的接縫軸是名義上地平行的用于說(shuō)明不相稱模型 [13]。如圖2
這中方法存在于物體或相互聯(lián)系的操作桿結(jié)構(gòu)中，和運(yùn)動(dòng)學(xué)中需要從一個(gè)坐標(biāo)到另一個(gè)坐標(biāo)這種同類變化是定義的。這種變化是相同形式的
上面的關(guān)系可以解釋通過(guò)四個(gè)基本變化操作實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系n-1到結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系n的變化。只有需要找到與前一個(gè)的關(guān)系的四個(gè)變化是必需的，在那個(gè)時(shí)候連續(xù)的軸是不平行的，定義為零點(diǎn)。
當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)結(jié)構(gòu)到下一個(gè)結(jié)構(gòu)的等價(jià)變化坐標(biāo)系與更改Denavit-Hartenberg系相一致時(shí)，它們將被書寫成矩陣元素實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)功能的矩陣形狀。這些參數(shù)是變化的簡(jiǎn)單變量：關(guān)節(jié)角，連桿偏置, 連桿長(zhǎng)度，扭角，矩陣通常表示如下：
對(duì)于多連接的, 例如機(jī)械操作臂,各自連續(xù)的鏈環(huán)和兩者瞬間的位置描寫在前一個(gè)矩陣變化中。這種變化從底部鏈環(huán)開(kāi)始到第n鏈環(huán)因此關(guān)系如下：
圖3表示出PUMA機(jī)器人在Denavit-Hartenberg系中每一連桿，完全坐標(biāo)系和工具結(jié)構(gòu)。變化從世界坐標(biāo)系到機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)考慮過(guò)，因?yàn)闈撛诘膮?shù)取決于被選擇的改變類型。 考慮到圖4,世界坐標(biāo)，在D-H系中定義的從世界坐標(biāo)到機(jī)器人基坐標(biāo)，坐標(biāo)是PUMA機(jī)器人定義的基坐標(biāo)和機(jī)器人第二個(gè)D-H結(jié)構(gòu)中坐標(biāo)。我們感興趣的是從世界坐標(biāo)到必需的最小的參數(shù)數(shù)量。實(shí)現(xiàn)這種變化有兩種路徑：路徑1，從到D-H變化包括四個(gè)參數(shù)，接著從到的變化將牽連二個(gè)參數(shù)和的變化
圖3
圖4
最后，另外從到的D-H變化中有四個(gè)參數(shù)其中和兩個(gè)參數(shù)是關(guān)于軸Z0因此不能獨(dú)立地識(shí)別， 和是沿著軸Z0因此也不能是獨(dú)立地識(shí)別。因此，用這路徑它需要從世界坐標(biāo)到PUMA機(jī)器人的第一個(gè)坐標(biāo)有八個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。路徑2，同樣地二中擇一，從世界坐標(biāo)到底部結(jié)構(gòu)坐標(biāo)的變化可以是直接定義。因此坐標(biāo)變換需要六個(gè)參數(shù)，如Euler形式：
下面是從到D－H變化中的四個(gè)參數(shù)，但與相關(guān)聯(lián)，與相關(guān)聯(lián)，減少成兩個(gè)參數(shù)。很顯然這種路徑和路徑1一樣需要八個(gè)參數(shù)，但是設(shè)置不同。
上面的方法可能使用于從世界坐標(biāo)系到PUMA機(jī)器人的第二結(jié)構(gòu)的移動(dòng)中。在這工作中，選擇路徑2。工具改變引起需要六個(gè)特殊參數(shù)的改變的Euler形式：
用于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)總數(shù)變成30，他們定義于表1
2.2 辨認(rèn)方法學(xué)
運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)辨認(rèn)將是進(jìn)行多維的消去過(guò)程, 因此避免了雅可比系統(tǒng)的標(biāo)定，過(guò)程如下：
1. 首先假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù), 例如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。
2. 為選擇任意關(guān)節(jié)角的設(shè)置。
3. 計(jì)算PUMA機(jī)器人末端操作器。
4. 測(cè)量PUMA機(jī)器人末端操作器的位姿如關(guān)節(jié)角，通常標(biāo)準(zhǔn)的和預(yù)言的位姿將是不同的。
5. 為了最好使預(yù)言位姿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的位姿，在整齊的方式更改運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)。
這個(gè)過(guò)程應(yīng)用于不是單一的關(guān)節(jié)角設(shè)置而是一定數(shù)量的關(guān)節(jié)角，與物理測(cè)量數(shù)量等同的全部關(guān)節(jié)角設(shè)置是需要，必須滿足
在這兒
Kp是識(shí)別的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的數(shù)量
N是測(cè)量位姿的數(shù)
Dr是測(cè)量過(guò)程中自由度的數(shù)量
文章中，給定了自由度的數(shù)量，贈(zèng)值為
因此全部位姿是測(cè)量的。在實(shí)踐中，更多的測(cè)量應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量法去掉補(bǔ)償結(jié)果。優(yōu)化程序使用命名為ZXSSO，和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)功能的IMSL[14]。
2.3 位姿測(cè)量法
顯然它是從上面的方法確定PUMA機(jī)器人全部位姿是必需的為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。這種方法現(xiàn)在將詳細(xì)地描寫。如圖5所示，末端操作器由五個(gè)確定的工具組成。 考慮到借助于工具坐標(biāo)和世界坐標(biāo)中間各個(gè)坐標(biāo)的形式，如圖6
這些坐標(biāo)的關(guān)系如下：
是關(guān)于世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的第i個(gè)球的4x1列向量坐標(biāo), Pi是關(guān)于工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)第i個(gè)球的4x1坐標(biāo)的列向量, T是從世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)到工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)變化的4x4矩陣。
設(shè)定Pi，測(cè)量出，然后算出T，使用于在標(biāo)定過(guò)程的位姿的測(cè)量。它是不會(huì)很簡(jiǎn)單，但是不可能由等式(11)反求出T。上面的過(guò)程由四個(gè)球A, B, C和D來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：
或?yàn)?
由于P`, T和P全部相符合，反解求的位姿矩陣
在實(shí)踐中當(dāng)PUMA機(jī)器人放置在確定的位置上，對(duì)于CMM由四個(gè)球決定Pi是困難的。準(zhǔn)確的測(cè)量三個(gè)球第四球根據(jù)十字相乘可以獲得
考慮到?jīng)Q定的球中心坐標(biāo)的是基于球表面點(diǎn)的測(cè)量,沒(méi)有分析可獲到的程序。 另外，數(shù)字優(yōu)化的使用是為了求懲罰函數(shù)的最小解
這里是確定球中心，是第個(gè)球表面點(diǎn)的坐標(biāo)且是球的半徑。在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)只測(cè)量四個(gè)表面上的點(diǎn)來(lái)確定中心點(diǎn)是非常有效的。
9
Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-
Measuring Machine
Morris R. Driels, Lt W. Swayze USN and Lt S. Potter USN
Department of Mechanical Engineering, Naval Postgraduate School, Monterey, California, US
The work reported in this article addresses the kinematic
calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring
machine (CMM) which is able to obtain the full pose of
the end-effector. A kinematic model is developed for the
manipulator, its relationship to the world coordinate frame and
the tool. The derivation of the tool pose from experimental
measurements is discussed, as is the identification methodology.
A complete simulation of the experiment is performed, allowing
the observation strategy to be defined. The experimental work
is described together with the parameter identification and
accuracy verification. The principal conclusion is that the
method is able to calibrate the robot successfully, with a
resulting accuracy approaching that of its repeatability.
Keywords: Robot calibration; Coordinate measurement; Parameter
identification; Simulation study; Accuracy enhancement
1. Introduction
It is well known that robot manipulators typically have
reasonable repeatability (0.3 ram), yet exhibit poor accuracy
(10.0 mm). The process by which robots may be calibrated
in order to achieve accuracies approaching that of the
manipulator is also well understood [1]. In the calibration
process, several sequential steps enable the precise kinematic
parameters of the manipulator to be identified, leading to
improved accuracy. These steps may be described as follows:
1. A kinematic model of the manipulator and the calibration
process itself is developed and is usually accomplished with
standard kinematic modelling tools [2]. The resulting model
is used to define an error quantity based on a nominal
(manufacturer's) kinematic parameter set, and an unknown,
actual parameter set which is to be identified.
2. Experimental measurements of the robot pose (partial or
complete) are taken in order to obtain data relating to the
actual parameter set for the robot.
3.
The actual kinematic parameters are identified by systematically
changing the nominal parameter set so as to reduce
the error quantity defined in the modelling phase. One
approach to achieving this identification is determining
the analytical differential relationship between the pose
variables P and the kinematic parameters K in the form
of a Jacobian,
and then inverting the equation to calculate the deviation of
the kinematic parameters from their nominal values
Alternatively, the problem can be viewed as a multidimensional
optimisation task, in which the kinematic parameter
set is changed in order to reduce some defined error function
to zero. This is a standard optimisation problem and may
be solved using well-known [3] methods.
4. The final step involves the incorporation of the identified
kinematic parameters in the controller of the robot arm,
the details of which are rather specific to the hardware of
the system under study.
This paper addresses the issue of gathering the experimental
data used in the calibration process. Several methods are
available to perform this task, although they vary in complexity,
cost and the time taken to acquire the data. Examples of
such techniques include the use of visual and automatic
theodolites [4, 5, 6], servocontrolled laser interferometers [7],
acoustic sensors [8] and vidual sensors [9]. An ideal measuring
system would acquire the full pose of the manipulator (position
and orientation), because this would incorporate the maximum
information for each position of the arm. All of the methods
mentioned above use only the partial pose, requiring more
data to be taken for the calibration process to proceed.
2. Theory
In the method described in this paper, for each position in
which the manipulator is placed, the full pose is measured,
although several intermediate measurements have to be taken
in order to arrive at the pose. The device used for the pose
measurement is a coordinate-measuring machine (CMM),
which is a three-axis, prismatic measuring system with a
quoted accuracy of 0.01 ram. The robot manipulator to be
calibrated, a PUMA 560, is placed close to the CMM, and a
special end-effector is attached to the flange. Fig. 1 shows
the arrangement of the various parts of the system. In this
section the kinematic model will be developed, the pose
estimation algorithms explained, and the parameter identification
methodology outlined.
2.1 Kinematic Parameters
In this section, the basic kinematic structure of the manipulator
will be specified, its relation to a user-defined world coordinate
system discussed, and the end-point toil modelled. From these
models, the kinematic parameters which may be identified
using the proposed technique will be specified, and a method
for determining those parameters described.
The fundamental modelling tool used to describe the spatial
relationship between the various objects and locations in the
manipulator workspace is the Denavit-Hartenberg method
[2], with modifications proposed by Hayati [10], Mooring
[11] and Wu [12] to account for disproportional models [13]
when two consecutive joint axes are nominally parallel. As
shown in Fig. 2, this method places a coordinate frame on
each object or manipulator link of interest, and the kinematics
are defined by the homogeneous transformation required to
change one coordinate frame into the next. This transformation
takes the familiar form
The above equation may be interpreted as a means to
transform frame n-1 into frame n by means of four out of
the five operations indicated. It is known that only four
transformations are needed to locate a coordinate frame with
respect to the previous one. When consecutive axes are not
parallel, the value of/3. is defined to be zero, while for the
case when consecutive axes are parallel, d. is the variable
chosen to be zero.
When coordinate frames are placed in conformance with
the modified Denavit-Hartenberg method, the transformations
given in the above equation will apply to all transforms of
one frame into the next, and these may be written in a
generic matrix form, where the elements of the matrix are
functions of the kinematic parameters. These parameters are
simply the variables of the transformations: the joint angle
0., the common normal offset d., the link length a., the angle
of twist a., and the angle /3.. The matrix form is usually
expressed as follows:
For a serial linkage, such as a robot manipulator, a coordinate
frame is attached to each consecutive link so that both the
instantaneous position together with the invariant geometry
are described by the previous matrix transformation. 'The
transformation from the base link to the nth link will therefore
be given by
Fig. 3 shows the PUMA manipulator with the
Denavit-Hartenberg frames attached to each link, together
with world coordinate frame and a tool frame. The transformation
from the world frame to the base frame of the
manipulator needs to be considered carefully, since there are
potential parameter dependencies if certain types of transforms
are chosen. Consider Fig. 4, which shows the world frame
xw, y,, z,, the frame Xo, Yo, z0 which is defined by a DH
transform from the world frame to the first joint axis of
the manipulator, frame Xb, Yb, Zb, which is the PUMA
manufacturer's defined base frame, and frame xl, Yl, zl which
is the second DH frame of the manipulator. We are interested
in determining the minimum number of parameters required
to move from the world frame to the frame x~, Yl, z~. There
are two transformation paths that will accomplish this goal:
Path 1: A DH transform from x,, y,, z,, to x0, Yo, zo
involving four parameters, followed by another transform
from xo, Yo, z0 to Xb, Yb, Zb which will involve only two
parameters ~b' and d' in the transform
Finally, another DH transform from xb, Yb, Zb to Xt, y~, Z~
which involves four parameters except that A01 and 4~' are
both about the axis zo and cannot therefore be identified
independently, and Adl and d' are both along the axis zo and
also cannot be identified independently. It requires, therefore,
only eight independent kinematic parameters to go from the
world frame to the first frame of the PUMA using this path.
Path 2: As an alternative, a transform may be defined directly
from the world frame to the base frame Xb, Yb, Zb. Since this
is a frame-to-frame transform it requires six parameters, such
as the Euler form:
The following DH transform from xb, Yb, zb tO Xl, Yl, zl
would involve four parameters, but A0~ may be resolved into
4~,, 0b, ~, and Ad~ resolved into Pxb, Pyb, Pzb, reducing the
parameter count to two. It is seen that this path also requires
eight parameters as in path i, but a different set.
Either of the above methods may be used to move from
the world frame to the second frame of the PUMA. In this
work, the second path is chosen. The tool transform is an
Euler transform which requires the specification of six
parameters:
The total number of parameters used in the kinematic model
becomes 30, and their nominal values are defined in Table
1
2.2 Identification Methodology
The kinematic parameter identification will be performed as
a multidimensional minimisation process, since this avoids the
calculation of the system Jacobian. The process is as follows:
1. Begin with a guess set of kinematic parameters, such as
the nominal set.
2. Select an arbitrary set of joint angles for the PUMA.
3. Calculate the pose of the PUMA end-effector.
4. Measure the actual pose of the PUMA end-effector for
the same set of joint angles. In general, the measured and
predicted pose will be different.
5. Modify the kinematic parameters in an orderly manner in
order to best fit (in a least-squares sense) the measured
pose to the predicted pose.
The process is applied not to a single set of joint angles but
to a number of joint angles. The total number of joint angle
sets required, which also equals the number of physical
measurement made, must satisfy
where
Kp is the number of kinematic parameters to be identified
N is the number of measurements (poses) taken
Dr represents the number of degrees of freedom present in
each measurement
In the system described in this paper, the number of degrees
of freedom is given by
since full pose is measured. In practice, many more measurements
should be taken to offset the effect of noise in the
experimental measurements. The optimisation procedure used
is known as ZXSSO, and is a standard library function in the
IMSL package [14].
2.3 Pose Measurement
It is apparent from the above that a means to determine the
full pose of the PUMA is required in order to perform the
calibration. This method will now be described in detail. The
end-effector consists of an arrangement of five precisiontooling
balls as shown in Fig. 5. Consider the coordinates of
the centre of each ball expressed in terms of the tool frame
(Fig. 5) and the world coordinate frame, as shown in Fig. 6.
The relationship between these coordinates may be written
as
where Pi' is the 4 x 1 column vector of the coordinates of
the ith ball expressed with respect to the world frame, P~ is
the 4 x 1 column vector of the coordinates of the ith ball
expressed with respect to the tool frame, and T is the 4 ? 4
homogenious transform from the world frame to the tool
frame.
then T may be found, and used as the measured pose in the
calibration process. It is not quite that simple, however, since
it is not possible to invert equation (11) to obtain T. The
above process is performed for the four balls, A, B, C and
D, and the positions ordered as
or in the form
Since P', T and P are all now square, the pose matrix may
be obtained by inversion
In practice it may be difficult for the CMM to access four
bails to determine P~ when the PUMA is placed in certain
configurations. Three balls are actually measured and a fourth
ball is fictitiously located according to the vector cross product
Regarding the determination of the coordinates of the
centre of a ball based on measured points on its surface,
no analytical procedures are available. Another numerical
optimisation scheme was used for this purpose such that the
penalty function
was minimised, where (u, v, w) are the coordinates of the
centre of the ball to he determined, (x/, y~, z~) are the
coordinates of the ith point on the surface of the ball and r
is the ball diameter. In the tests performed, it was found
sufficient to measure only four points (i = 4) on the surface
to determine the ball centre.
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