摘要

摘要：对由AGV承载的工业机器人组成的AGV式移动制孔机器人的定位误差补偿方法进行了研究。在面向飞机装配的AGV式移动制孔机器人系统中，利用激光跟踪仪构建坐标系，提出了AGV式移动制孔机器人机座坐标系的换站方法，能更好地适应飞机制造多品种、小批量的特点。基于对AGV式移动制孔机器人定位误差源的分析，利用定位误差相似性，提出针对AGV式移动制孔机器人的基于反距离加权定位误差的空间插值与补偿方法，克服了现有技术对于AGV式移动制孔机器人定位误差补偿的局限性。以AGV搭载的KUKA KR480型工业机器人制孔系统作为试验对象，通过试验选取最优网格步长，补偿结果表明，能将系统综合定位误差平均值由补偿前的1.045 mm降低到0.227 mm，最大绝对定位误差由补偿前的2.727 mm降低到0.478 mm，降低了82.47%，该方法能有效提高AGV式移动制孔机器人的绝对定位精度。

随着工业4.0的高速发展和智能制造的快速推进，以工业机器人为载体的飞机柔性化自动装配技术受到广泛关注[1]，其中，AGV(Automated Guided Vehicle)式移动制孔机器人因能更好地适应飞机产品大尺寸、多品种、小批量的特点[2]而成为研究热点。工业机器人本身具有较低的绝对定位精度，同时，承载机器人的AGV存在弹性变形，这种弹性变形与机器人位姿直接相关，同时还受到机器人运动速度、运动路径、运动学姿态、负载变形[3]和惯性等的影响，因此会在机器人安装机座处引入较大误差，当表征到机器人末端时，经过了机器人各连杆的传递，会被进一步放大。导致系统绝对定位精度远远不能满足在离线编程工作方式下的飞机自动化装配系统的精度要求[4]。因此，研究精度补偿技术提高系统绝对定位精度是将AGV式移动制孔机器人广泛应用于面向航空制造的柔性化自动装配的关键[5-6]。

传统的精度补偿技术如机器人运动学标定[7]，是基于机器人运动学参数的误差模型，利用有限的定位误差采样数据，通过优化算法识别出机器人各连杆的运动学参数误差[8]，其中迭代的最小二乘法(Levenberg-Marquardt, L-M)被广泛应用[9]。但该误差模型仅包含机器人几何误差源，当需要包含更多误差源时，势必需要在其中增加更多误差参数，对于AGV式移动制孔机器人，要用数学模型表征出AGV弹性变形的变化非常困难，而且会导致计算复杂程度和计算量大幅提高。

鉴于运动学参数标定方法的缺陷，很多学者探索了其他一些精度补偿方法来提高机器人的绝对定位精度[10-12]。Zeng等[13-14]利用机器人定位误差的相似性建立了机器人定位误差与关节转角之间的空间映射模型，然后对待补偿点进行线性无偏最优估计。该方法仅关注末端定位误差与关节角输入之间的关系，不关注具体误差源，在一定程度上具有很强的通用性。然而该方法在AGV式移动制孔机器人中却有一定的局限性，这种局限性表现在，当AGV弹性变形引起的末端定位误差增大到一定程度以后，这种依赖机器人关节角的映射模型可能难以建立。

其他一些提高机器人定位精度的方法，如在线误差补偿[15-16]需要在末端加装一个实时反馈装置来调整机器人位姿，通常能获得较高的补偿精度，但加装装置对于一些复杂场景不易操作，且相对于离线标定技术造价也更加高昂。因此，在机器人应用的多形式和快速发展背景下，迫切需要对机器人精度补偿技术进行创新。借鉴周炜等[17-18]提出的基于反距离加权法的机器人定位误差补偿方法，利用定位误差的相似性，将AGV式移动制孔机器人整体视作一个“黑箱”，仅关心末端位置输入和定位误差输出之间的关系，用已知的相似点定位误差实现对待补偿点定位误差的估计。

利用定位误差的空间相似性，论述一种适用于AGV式移动制孔机器人的基于反距离加权的空间插值与补偿方法，并通过提出的AGV式移动制孔机器人机座坐标系换站方法，使精度补偿站位的采样点数据通用于其它加工站位。对AGV搭载的KUKA KR480型工业机器人制孔系统进行试验验证，通过试验选取最优网格步长，补偿结果表明该方法能补偿AGV弹性变形对于机器人末端定位误差的影响，较好地提高AGV式移动制孔机器人的绝对定位精度。

1 AGV式移动制孔机器人系统

1.1 系统工作流程

AGV式移动制孔机器人系统如图1所示，系统工作流程如图2所示。

图 1 AGV式移动制孔机器人

图 2 系统工作流程

系统硬件部分主要由KUKA KR480工业机器人、AGV、多功能末端执行器以及其它辅助设备组成，系统软件部分主要分为离线编程软件和集成控制软件，本文的精度补偿算法集成在集成控制软件中。系统工作流程如下：首先离线编程软件生成可供集成控制软件解析的NC程序，然后集成控制软件控制AGV定位至待加工站位并进行基准检测，接着对待加工孔位进行精度补偿，机器人到位后末端执行器进行压紧、制孔，循环直至完成所有加工任务。

1.2 系统定位误差

为了观测AGV弹性变形程度以及机器人末端定位误差，将测量杆安装在末端执行器电主轴上，另一端安装靶球座以固定激光跟踪仪的靶球(图1中靶球1)；在机器人底座处固定了一个靶标座，固定靶球(图1中靶球2)作为AGV变形的观测点，在机器人默认的HOME位置时，测量观测点的三维坐标为(383.236, -287.460, 63.901) mm，本文中的坐标值均以机器人机座坐标系为基准。KUKA工业机器人规定机座坐标系原点位于底座中心，x方向指向机器人正方向，z轴竖直向上，y轴由右手法则确定，机座坐标系确定了机器人的具体位置和姿态。

在系统实际工程应用的工作空间随机选取了478个采样点，采样点在x y z , ,方向取值范围如表1所示。将采样点理论值作为输入，以10%倍率的速度驱动机器人运动，用激光跟踪仪分别测量末端定位误差和观测点三维坐标，数据统计如表1所示，绘制观测点三维坐标的离差折线图如图3所示。