基于激光跟踪仪的工业机器人性能测试与评价分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：项剑（1986），男，汉族，浙江台州人，工程师，硕士，研究方向为工业机器人的研发与测试。-121-基于激光跟踪仪的工业机器人性能测试与评价分析 项 剑 浙江钱江机器人有限公司，浙江 台州 317500 摘要：摘要：本文首先围绕工业机器人性能测试相关要求、检测指标设置进行了分析。为做好针对工业机器人的性能测试与评价工作，本文围绕实验对象及测试设备的选择、工业机器人性能测量系统构建及工作原理等基于激光跟踪仪的工业机器人性能测试平台搭建要素展开分析。在此基础上，本文选择工业机器人位姿准确度及重复性、工业机器人位置稳定时间及位置超调量、工业机器人轨迹准确度和轨迹重复性三项重要项目进行测试与评价，仅供参考。关键词：关键词：工业机器人；激光跟踪仪；性能测试；位置稳定时间；位置超调量 中图分类号：中图分类号：TH-39 0 引言 在现代社会，工业机器人已经逐渐成为重要的工业生产力。如要使生产效率、生产质量达到设计要求，必须做好对工业机器人的性能测试工作。具体来说，做好该项工作，可以验证机器人在各种工作负载和环境条件下的稳定性和可靠性。通过测试，可以发现潜在的问题和缺陷，并及时进行修复，以确保机器人在工作中不会出现故障或意外情况。此外，性能测试可以评估机器人的工作速度、准确性和精度等指标。通过测试，可以发现机器人在不同任务下的性能差异，并对其进行优化，以提高机器人的工作效率和生产能力。安全方面的考量是，可以验证机器人在不同工作条件下的安全性能，包括碰撞检测、急停功能、紧急情况下的安全响应等。总体来说，做好工业机器人的性能测试与评价工作至关重要。1 工业机器人性能测试相关要求与检测指标设置分析 1.1 工业机器人性能检测相关要求 针对工业机器人的性能进行测试时，必须围绕以下六个方面做好测试工作，并设置具体的指标。具体来说：其一，做好工业机器人运动性能检测的检测。包括机器人的精度、重复定位精度、最大工作速度、最大负载能力等参数的检测1。其二，做好工业机器人动态性能检测。包括加速度、减速度、运动平滑性等参数的检测，以评估机器人在高速运动和复杂任务中的稳定性和可靠性。其三，做好工业机器人控制系统性能检测。包括控制系统的响应速度、稳定性、抗干扰能力等参数的检测，以确保机器人能够准确地执行指令并适应不同的工作环境。其四，做好工业机器人安全性能检测。包括机器人的碰撞检测、急停功能、安全防护装置等参数的检测，以保障工作人员的人身安全。其五，做好工业机器人通信性能检测。包括机器人与其他设备之间的通信稳定性、数据传输速度等参数的检测，以确保机器人能够与其他设备进行有效的数据交换和协作。其六，做好工业机器人能源消耗检测。包括机器人的能耗、能源利用效率等参数的检测，以评估机器人的节能性能和环境友好性2。只有按照上述 6 个方面的要求设置指标，才能确保检测结果客观、准确。1.2 工业机器人性能检测指标设置 针对工业机器人性能进行检测时，需围绕下列指标进行严格评价，具体来说：（1）工业机器人作业过程的速度和精度：评估机器人的运动速度和定位精度。测试可以包括机器人在不同速度下的运动能力和定位精度，以及机器人在不同工作负载下的表现。（2）工业机器人的动作执行重复性。测试机器人在重复执行相同任务时的一致性和稳定性。这可以通过多次执行相同任务并比较结果来进行评估。中国科技期刊数据库 工业 A-122-（3）工业机器人的负载能力。评估机器人在承载重物时的能力。测试可以包括机器人在不同负载下的运动能力、定位精度和稳定性3。（4）工业机器人执行动作过程的灵活性。评估机器人在不同任务和工作环境下的适应能力。测试可以包括机器人在不同姿态、位置和工作空间限制下的表现。（5）工业机器人的可编程性。评估机器人的编程能力和灵活性。测试可以包括机器人的编程界面、编程语言和编程功能。（6）工业机器人的运转安全性。评估机器人的安全功能和性能。测试可以包括机器人的碰撞检测、急停功能和安全防护措施。（7）工业机器人的运转可靠性。评估机器人的可靠性和稳定性。测试可以包括机器人的故障率、维修时间和可用性。2 基于激光跟踪仪的工业机器人性能测试平台搭建分析 2.1 实验对象选择及测试设备选择 2.1.1 实验对象工业机器人参数分析 本次作为实验对象的工业机器人情况如下：机器人型号为 QJR12-1700，由钱江机器人公司生产，具有运动速度快、体积小、质量轻、整机性能突出等特点。此外，此型号工业机器人的各项参数在测试过程中更容易被追踪、监测，故选择该型号的工业机器人。各项具体参数如下：J1 自由度下，运动范围为170，额定速度为189/s；J2 自由度下，运动范围为-90+154，额定速度为 189/s；J3 自由度下，运动范围为-90+85，额定速度为 189/s；J4 自由度下，运动范围为180，额定速度为 372/s；J5 自由度下，运动范围为110，额定速度为 573/s；J6 自由度下，运动范围为360，额定速度为 687/s。其他参数如下：重复定位的精度为0.06mm，工作范围为 1792mm，额定载荷为 12kg，本体近 240kg4。2.1.2 工业机器人性能测试设备简析 Leica 激光跟踪仪 AT901-MR 是一款高精度的激光测量仪器。它采用激光技术，能够实时跟踪目标位置和运动轨迹，具有高精度和稳定性。该激光跟踪仪广泛应用于工业测量、建筑测量、地质勘探、矿山测量等领域。它能够追踪移动目标的位置和运动轨迹，并通过激光测量获得目标的精确坐标。这款激光跟踪仪具有快速、准确的测量性能，能够满足各种测量需求。搭配的传感器为机械控制传感器 Leica T-Mac，由莱卡（Leica）公司开发和生产。它主要用于测量和控制机械设备的运动和位置。Leica T-Mac 传感器具有高精度和可靠性，可以在各种工业应用中提供准确的测量数据。Leica T-Mac 传感器采用先进的技术和算法，可以实时监测和记录机械设备的运动状态。它可以测量物体的位置、速度、加速度和角度，并将这些数据传输给控制系统进行分析和决策。2.2 工业机器人性能测量系统构建分析 2.2.1 工业机器人性能测量系统的构建 基于 Leica 激光跟踪仪 AT901-MR 以及机械控制传感器 Leica T-Mac 构建的动态跟踪测量系统主要包括激光发射器、姿态跟踪系统、机械运动与驱动系统、姿态控制系统、USB 数据采集系统、移动底盘，具体如图 1 所示。基于该系统，可较为全面地收集工业机器人运行过程中产生的各类数据，进而对数据进行分析和处理，计算出机器人的性能指标。可以使用统计分析方法，比如平均值和标准差等，来评估机器人的性能。图 1 基于激光跟踪仪和机械控制传感器构建的测试工具 2.2.2 工业机器人性能测量系统的工作原理分析 基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量系统的工作原理及流程如下：其一，由激光跟踪仪发射激光。激光跟踪仪通过内部的激光发射器发出一束具有高度的方向性和聚焦能力的激光束，用于对工业机器人的运转动作进行跟踪探测。其二，系统中的传感器构件中国科技期刊数据库 工业 A-123-用于探测反射光。激光束照射到机器人或其工作区域的目标物体上时，会产生反射光。激光跟踪仪通过内部的接收器接收并探测目标物体反射回来的激光光束。其三，计算距离。激光跟踪仪根据接收到的反射光的时间延迟，计算出激光光束从仪器到目标物体之间的距离。其四，三角测量。激光跟踪仪利用三角测量原理，通过同时测量激光光束在仪器上的位置和方向，以及目标物体上激光光束的位置，计算出目标物体在三维空间中的坐标位置。其五，数据处理。激光跟踪仪将测量得到的坐标数据传输到计算机上进行处理和分析。通过比对目标物体的实际位置与设计要求的位置，可以评估机器人的定位和运动精度。总体来看，激光跟踪仪通过测量激光光束的时间延迟和位置信息，利用三角测量原理计算出目标物体在三维空间中的坐标位置，从而测试工业机器人的定位和运动精度。通过与设计要求进行比对，可以评估机器人的性能表现。其中的注意事项是，激光跟踪仪的精度和测量范围受到多种因素的影响，如激光光束的质量、环境条件、目标物体的反射性能等。因此，在使用激光跟踪仪进行测试时，需要进行校准和补偿，以提高测量精度和准确性。3 基于激光跟踪仪的工业机器人整机运动性能测试评价分析 3.1 针对工业机器人位姿准确度及重复性的测试评价分析（1）位姿准确度测试。通过对机器人执行一系列预定位置的运动任务来评估其位姿准确度。可以采用以下方法进行测试：使用上述系统，测量机器人末端执行器的实际位姿，并与预期位姿进行比较。在不同的末端执行器位姿下，对机器人进行轨迹规划和运动控制，并评估其实际运动轨迹与期望轨迹的偏差。对机器人执行精确的定位任务，并评估其定位精度。（2）重复性测试。重复性是指机器人在多次执行相同任务时的一致性程度。具体测试流程如下：对机器人执行多次相同的运动任务，并记录每次任务的位姿数据。通过比较这些数据，评估机器人的重复性。对机器人执行多次定位任务，并记录每次任务的定位精度。通过比较这些数据，评估机器人的重复性。使用统计方法（如方差分析）对机器人执行相同任务的数据进行分析，以确定其重复性。3.2 针对工业机器人位置稳定时间及位置超调量的测试评价分析 位置稳定时间表示机器人从运动开始到稳定在目标位置所需的时间，位置超调量表示机器人在达到目标位置时超出目标位置的最大偏差。基于上述系统对工业机器人的此两项指标进行测量的流程如下：其一，设计测试实验。根据实际应用需求，设计机器人运动的测试场景。例如，可以设定机器人从一个位置运动到另一个位置，并记录其位置稳定时间和位置超调量。其二，收集数据。在测试实验中，使用合适的测量工具或软件记录机器人的位置信息，并计算位置稳定时间和位置超调量。其三，分析数据。根据收集到的数据，进行评价指标的分析。可以计算平均位置稳定时间和平均位置超调量，并与预设的性能要求进行比较。同时，可以使用统计方法对数据进行分析，例如计算标准差、方差等。其四，结果解释与改进。根据评价分析的结果，对机器人的性能进行解释。如果位置稳定时间或位置超调量超出了预设要求，可以进一步分析原因，并提出改进措施。例如，可能需要调整控制算法、增加传感器精度或改善机器人机械结构等。总体来看，通过以上步骤进行针对工业机器人位置稳定时间和位置超调量的测试评价分析，可以帮助评估机器人的性能，并为改进和优化提供指导。3.3 针对工业机器人轨迹准确度和轨迹重复性的测试评价分析 轨迹准确度和轨迹重复性是评估工业机器人性能的重要指标。基于上述系统的测试评价流程如下：其一，测试轨迹设计。设计一组典型工作轨迹，包括直线运动、圆弧运动、复杂路径等，确保涵盖了机器人在实际工作中可能遇到的各种情况。其二，数据采集。在测试过程中，使用合适的传感器和测量设备实时采集机器人的位置数据，并记录下来。其三，数据处理。基于数据计算出机器人的轨迹准确度和轨迹重复性的指标。轨迹准确度可以通过计算机器人的实际运动轨迹与期望轨迹之间的误差来评中国科技期刊数据库 工业 A-124-估，可以使用欧式距离或者最大偏差等指标。轨迹重复性可以通过计算机器人在多次运动中的轨迹重合度来评估，可以使用重叠率或者相似度等指标。其四，结果分析和评价。根据数据处理得到的结果，对机器人的轨迹准确度和轨迹重复性进行分析和评价。可以比较不同测试条件下的结果，找出对机器人性能影响较大的因素。4 结语 综上所述，做好工业机器人性能测试及评价工作，有助于保证工业机器人的可靠性、提高工业机器人的工作效率、保障工业机器人的安全性、提升工业机器人的品质和竞争力。此外，做好工业机器人性能测试及评价工作，还可以优化工业机器人的能耗和资源利用、改进工业机器人的人机交互体验、确保工业机器人的兼容性和互操作性。总体来看，工业机器人性能测试与评价工作的重要性不仅体现在机器人的可靠性、工作效率和安全性方面，还涉及能耗、资源利用、人机交互体验、兼容性和互操作性等多个方面，对于提升工业机器人的整体质量和性能至关重要，故必须做好这项工作。参考文献 1吴晓亮,王凌,高雁凤,等.工业机器人性能测试方法的运动学模型误差灵敏度分析 J.中国测试,2023,49(08):134-142.2叶伯生,谢鹏,张文彬.基于随机遗传算法优化 BP 神经网络的工业机器人整机性能评估模型J.中南大学学报(自然科学版),2021,52(09):3204-3211.3帅思远.基于激光跟踪仪的工业机器人整机运动性能测试与评价D.武汉:华中科技大学,2020.4朱敏杰.基于激光跟踪仪的工业机器人性能测试与评价D.北京:北京工业大学,2018.