走近機(jī)器人產(chǎn)業(yè)

在全球科技飛速發(fā)展、智能化快速覆蓋的今天，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的地位：

在提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量方面，機(jī)器人能夠自動(dòng)化完成重復(fù)性工作，提高制造速度，減少人工錯(cuò)誤，確保產(chǎn)品精度和質(zhì)量；在人身安全保護(hù)方面，機(jī)器人可在高危環(huán)境下作業(yè)，替代人類完成危險(xiǎn)任務(wù)，保障人員安全；推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)方面，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用有助于推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力；創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦可帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)步，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。        

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，不僅是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)的代表，更是推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化變革的關(guān)鍵力量；對(duì)于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力也具有重要意義。    

中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及高質(zhì)量的應(yīng)用需求

現(xiàn)階段，中國(guó)已成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)，且市場(chǎng)規(guī)模仍在持續(xù)擴(kuò)大。與此同時(shí)，機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加大，在精密減速機(jī)、控制器、伺服系統(tǒng)、校準(zhǔn)標(biāo)定等領(lǐng)域已有里程碑式的突破。伴隨著應(yīng)用領(lǐng)域的加速拓展以及使用需求的不斷提升，對(duì)于機(jī)器人的性能的要求也在不斷提高，這就需要在生產(chǎn)制造乃至研發(fā)時(shí)，將誤差、重復(fù)性等關(guān)鍵指標(biāo)控制在最優(yōu)。由此，對(duì)于在各環(huán)節(jié)所進(jìn)行的測(cè)量要求標(biāo)準(zhǔn)就更為嚴(yán)苛。   

工業(yè)機(jī)器人與人形機(jī)器人校準(zhǔn)典型解決方案

結(jié)合來(lái)自中國(guó)中央電視臺(tái)《新聞聯(lián)播》欄目的報(bào)道，下文對(duì)現(xiàn)階段市場(chǎng)上發(fā)展與應(yīng)用熱度較高的“工業(yè)機(jī)器人”以及“人形機(jī)器人”的測(cè)量校準(zhǔn)做進(jìn)一步地介紹。     

圖1：中國(guó)中央電視臺(tái)“新聞聯(lián)播”欄目對(duì)于中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的報(bào)道截圖   （2025年2月12日期）

以下對(duì)機(jī)器人的測(cè)量校準(zhǔn)，均使用API品牌凝聚近半個(gè)世紀(jì)技術(shù)積淀研發(fā)并呈現(xiàn)的測(cè)量科技產(chǎn)品：最新一代的Radian系列激光跟蹤儀，配合API自主研發(fā)的RMS機(jī)器人校準(zhǔn)軟件，以及相關(guān)功能附件實(shí)現(xiàn)并完成。          

圖2：API品牌Radian系列激光跟蹤儀

圖3：各附件及功能簡(jiǎn)述

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)

檢測(cè)及標(biāo)定概述 

API檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)可對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)：位姿準(zhǔn)確度和重復(fù)性檢測(cè)、多方向位姿準(zhǔn)確度變動(dòng)、距離準(zhǔn)確度和重復(fù)性、位置穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量、位姿漂移特征、互換性、軌跡準(zhǔn)確度和重復(fù)性、重定向軌跡準(zhǔn)確度、拐角偏差、軌跡速度特征、最小定位時(shí)間、靜態(tài)柔順性、擺動(dòng)偏差，這14項(xiàng)性能檢測(cè)。   

檢測(cè)時(shí)，只需根據(jù)需求在工業(yè)機(jī)器人末端部署相應(yīng)的激光接收裝置，即可啟動(dòng)激光跟蹤儀，并自動(dòng)完成全套流程的檢測(cè)與評(píng)估。  

Radian激光跟蹤儀會(huì)射出激光，并將激光鎖定至固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的靶球（或靶標(biāo)）中心，工業(yè)機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)的同時(shí)，激光跟蹤儀會(huì)實(shí)時(shí)記錄下點(diǎn)位坐標(biāo)或軌跡，并反饋至PC中的RMS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及評(píng)估。   

通過(guò)機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動(dòng)位置與其理論位置相比較，即可得到運(yùn)動(dòng)的偏差，從而針對(duì)這些偏差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)定。         

實(shí)際操作

在只對(duì)機(jī)器人定位精度有校準(zhǔn)需求時(shí)，可使用Radian激光跟蹤儀+高精度靶球（SMR）以及RMS機(jī)器人檢測(cè)軟件的方案實(shí)施標(biāo)定作業(yè)：在機(jī)器人末端布設(shè)一個(gè)高精度SMR靶球，即可開(kāi)始檢測(cè)工作。（請(qǐng)參考：圖3左1）        

在有6自由度（6DoF – X/Y/Z/偏擺角/俯仰角/滾動(dòng)角）檢測(cè)需求時(shí)候，可以加配多靶球工裝至機(jī)器人末端，并布設(shè)3個(gè)高精度SMR靶球，機(jī)器人在每一個(gè)待檢測(cè)位置停留時(shí)，分別測(cè)量3個(gè)靶球，從而可以計(jì)算得到該位置的6DoF數(shù)據(jù)信息。（請(qǐng)參考：圖3左2）        

在有動(dòng)態(tài)（軌跡）連續(xù)采點(diǎn)測(cè)量需求時(shí)，則可適用ActiveTarget活動(dòng)靶標(biāo)配合跟蹤儀實(shí)現(xiàn)測(cè)量。測(cè)量時(shí)，跟蹤儀激光射入ActiveTarget活動(dòng)靶標(biāo)的接光口，而ActiveTarget活動(dòng)靶標(biāo)也會(huì)同時(shí)自動(dòng)反向鎖定激光束，即便快速、大角度移動(dòng)，也會(huì)始終保持以最佳姿態(tài)鎖定激光束，不會(huì)斷光，從而為軌跡測(cè)量提供了良好的性能保障。（請(qǐng)參考：圖3右2）        

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)6DoF數(shù)據(jù)采集時(shí)，則可使用API專利的STS（SmartTrack Sensor）六維傳感器實(shí)現(xiàn)。STS六維傳感器在ActiveTarget活動(dòng)靶標(biāo)的功能基礎(chǔ)上，還具備6自由度數(shù)據(jù)的采集能力。（請(qǐng)參考：圖3右1）        

測(cè)量時(shí)，操作者將Radian激光跟蹤儀布設(shè)在待測(cè)工業(yè)機(jī)器人周邊合適位置，將相應(yīng)的靶標(biāo)固定于機(jī)器人末端，機(jī)器人按照預(yù)設(shè)程序跑完待測(cè)點(diǎn)位，在每個(gè)待測(cè)點(diǎn)位停頓時(shí)（進(jìn)行軌跡測(cè)量時(shí)可無(wú)需停頓），Radian激光跟蹤儀即以1000點(diǎn)/秒的測(cè)量速率記錄下該位置坐標(biāo)傳輸至軟件端，后與標(biāo)準(zhǔn)值做比較，得出偏差，完成補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。從設(shè)備布設(shè)到完成標(biāo)定、復(fù)查，用時(shí)不超過(guò)1.5小時(shí)，同時(shí)滿足精準(zhǔn)與高效的測(cè)量要求。

工業(yè)機(jī)器人標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)

圖4：機(jī)器人標(biāo)定作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（使用單一靶球）          

圖5：機(jī)器人標(biāo)定作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（配合多靶球工裝）           

圖6：機(jī)器人標(biāo)定作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（使用ActiveTarget活動(dòng)靶標(biāo)）  

圖7：機(jī)器人標(biāo)定作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（使用STS六維傳感器）

對(duì)于人形機(jī)器人的測(cè)量標(biāo)定

測(cè)量標(biāo)定概述述

對(duì)于人形機(jī)器人的測(cè)量，主要是需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，即自由狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行中的穩(wěn)定性。其中，CoG（重心地面投影點(diǎn)）、 ZMP（零力矩點(diǎn)）和CoP（壓力中心）是評(píng)價(jià)雙足步行機(jī)構(gòu)行走穩(wěn)定性的重要參數(shù)，通過(guò)記錄參數(shù)的變化，通過(guò)分析，來(lái)改善和提升機(jī)器人性能。    

圖8：人形機(jī)器人靜止及動(dòng)態(tài)行進(jìn)時(shí)的重心投影與ZMP示意

傳統(tǒng)測(cè)量方法

傳統(tǒng)測(cè)量方法，采用安裝在腳部的六維力/力矩傳感器檢測(cè)出地面反力信息，計(jì)算得到CoP，通過(guò)獨(dú)特的姿態(tài)控制同時(shí)調(diào)整軀干姿態(tài)和腳部姿態(tài)，進(jìn)而保持ZMP和CoP 在行走過(guò)程中始終處于合適的位置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。但由于機(jī)器人自身重量原因、或由于處在負(fù)載狀態(tài)下，其雙足自身結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化尚未考慮進(jìn)去，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)失真，進(jìn)而影響整體試驗(yàn)效果。  

API測(cè)量方案

基于人形機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、步態(tài)規(guī)劃等特點(diǎn)，可使用Radian Pro激光跟蹤儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人腿部節(jié)點(diǎn)，軟件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，全面分析機(jī)器人雙足結(jié)構(gòu)變化和空間六維（6DoF）姿態(tài)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

測(cè)量時(shí)，在Radian Pro激光跟蹤儀安置完畢后，將各靶標(biāo)球（SMR）固定在機(jī)器人測(cè)量節(jié)點(diǎn)，通過(guò)使用Radian的Teach-to-Drive功能，會(huì)迅速自動(dòng)測(cè)量并記錄下各測(cè)量點(diǎn)的空間3維坐標(biāo)；通過(guò)若干個(gè)空間點(diǎn)，即可在軟件中構(gòu)建相應(yīng)的線、面、體，從而精準(zhǔn)分析各個(gè)標(biāo)的之間的包括平行度、平面度、垂直度、直線度、角度分度等等諸多種類的位置關(guān)系，由此計(jì)算出各關(guān)節(jié)相對(duì)于機(jī)器人各姿態(tài)下的六維參數(shù)和CoG，并將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋。    

方案亮點(diǎn)

在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，需要多次交替測(cè)量機(jī)器人自由狀態(tài)及負(fù)載狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)，并比較兩種狀態(tài)下機(jī)器人腿部機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的變形。由于機(jī)器人本身自重較大（大于150公斤），雙足交替行進(jìn)的這一過(guò)程中，會(huì)有不穩(wěn)的狀態(tài)出現(xiàn)，若采取通常的測(cè)量方式，每次采集數(shù)據(jù)時(shí)都需觸碰機(jī)器人本身，就額外造成了機(jī)器人的位置變化，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的不精準(zhǔn)。        

而使用Radian Pro激光跟蹤儀的測(cè)量方案的亮點(diǎn)正在于：測(cè)量過(guò)程中，無(wú)需人為干預(yù)，自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)分析并反饋結(jié)果。    

圖9：Radian Pro激光跟蹤儀iVision功能展示    

實(shí)施過(guò)程

Radian Pro激光跟蹤儀內(nèi)置有iVision智能攝像頭，具備多靶球自動(dòng)識(shí)別、和快速排序編程的能力。測(cè)量時(shí)，在機(jī)器人上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用Teach-to-Drive功能自動(dòng)編號(hào)識(shí)別并完成測(cè)量。隨后，根據(jù)要求進(jìn)行快速數(shù)據(jù)比對(duì)分析。iVision智能相機(jī)具備大視場(chǎng)角識(shí)別范圍，可以在實(shí)驗(yàn)室狹小的空間范圍內(nèi)精準(zhǔn)識(shí)別布置于機(jī)器人上的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，快速自動(dòng)完成測(cè)量。即使機(jī)器人進(jìn)行較大范圍移動(dòng)，基于iVision的大范圍識(shí)別能力，只要跟蹤儀相機(jī)識(shí)別到之前測(cè)量的監(jiān)控點(diǎn)中的其中三個(gè)點(diǎn)，就可以自動(dòng)擬合定位預(yù)知其它待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，完成測(cè)量并對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行排序，隨即通過(guò)軟件完成建立坐標(biāo)和分析計(jì)算。   

由于機(jī)器人腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量中，采用0.5英寸小靶球作為測(cè)量點(diǎn)。其中選取機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的部位布置3個(gè)靶球，（該部位為整塊剛性結(jié)構(gòu)件，在各種狀態(tài)下都不會(huì)變形），利用這三個(gè)點(diǎn)建立坐標(biāo)系，采集其余點(diǎn)在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。然后變更機(jī)器人的狀態(tài)，進(jìn)行測(cè)量，同樣利用之前的三個(gè)點(diǎn)建立坐標(biāo)系，得到其它點(diǎn)在該坐標(biāo)系下的值，并與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。測(cè)量過(guò)程全部為自動(dòng)完成，無(wú)需人為干預(yù)。

圖10：測(cè)量點(diǎn)布設(shè)示意

結(jié)論

實(shí)踐證明，API品牌的Radian系列激光跟蹤儀以微米級(jí)別的測(cè)量精度、大尺度的測(cè)量范圍、簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)交互界面等性能及特征，可助力各類工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、人形機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等的測(cè)量診斷與校準(zhǔn)標(biāo)定，精準(zhǔn)與高效兼得！       

圖11：API總部大樓

關(guān)于 API

API品牌由Kam Lau博士在1987年創(chuàng)立于美國(guó)馬里蘭州的羅克韋爾，是激光跟蹤儀的發(fā)明者，同時(shí)持有多項(xiàng)全球領(lǐng)先測(cè)量科技的專利，是精密測(cè)量科技領(lǐng)域的引領(lǐng)者；API自成立以來(lái)，始終致力于機(jī)械制造領(lǐng)域精密測(cè)量?jī)x器和高性能傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的先進(jìn)制造領(lǐng)域，并在坐標(biāo)測(cè)量和機(jī)床性能測(cè)試的高精度標(biāo)準(zhǔn)方面處于領(lǐng)先地位。           

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