工業用機器人校準之研究

摘要：工業用機器人的精度受到許多因素影響，如製造誤差、連桿機械性質、外力（包含桿重）或工作環境等因素。雖然機器人的精度可經由一些補償技術改善，但現有的方法大多是針對硬體進行校正。本文提出連桿參數校準及具有極高計算效率之反位移分析方法，以滿足即時控制之需求。

Abstract: The accuracy of an industrial manipulator is affected by several factors, such as manufacturing errors, mechanical properties of links, external forces (including mass weight), and the working environment. Although the accuracy can be improved via the calibration process in software, the existing methods are mostly through hardware calibration. The method presented in this paper shows the calibration method of the link parameters and provides inverse kinematic solutions for the manipulator with modified link parameters. The results conclude that the inverse kinematic solutions can be efficiently determined to meet the control requirement of the manipulator.

關鍵詞：校正、連桿參數、工業機器人

Keywords：Calibration, Link Parameters, Industrial Manipulators

前言
工業用機器人具有許多優越之特性，但卻受限於精確度不佳之影響[1]。因此一般工業用機器人要進行工作規劃時，通常以人工教導之方式[2-4]，此法是由操作者引導機器人至欲到達的各個位置，同時記錄其座標。由於大部分工業用機器人之重現度均相當好[5]，所以可以很精確地執行被教導過的動作。但此人工教導之方式，卻使機器人的工作受到限制，如須規劃一個新工作時，則必須停機而後經由繁複的教導與紀錄工作，才可完成規劃。

此情況均由於機器人沒有良好之絕對精度，而衍生的缺失。影響機器人位置精度的重要因素概可分為幾何性及非幾何性之兩種誤差[4][6][7]：

1.幾何性誤差：包括連桿長度（link length）、連桿扭角（twist angle）、連桿偏位（link offset）、關節位移之起始參考位置（initial position）及機器人安裝的誤差（assembly error）等。

2.非幾何性誤差：包括順應性（compliance）、齒輪背隙（gear backlash）、解碼器之解析度（resolution）、齒輪方向誤差（direction error）、溫度梯度（temperature gradient）等。

一般而言，尋求改進機器人精度之方法，可分為硬體結構及軟體參數兩方面來調整，但從硬體上進行校準所需之費用與時間遠高於軟體參數之調整。本文提出之方法將以軟體參數進行校正，首先利用機器人各軸角度與量測所得之端效器End-effector之位置關係求解非線性聯立方程式，求得實際的連桿參數值與設計的連桿參數值a_i,d_i,θ_i,α_i （i=1,2,…,6）之間存在的差異量∆a_i,∆d_i,∆θ_i,∆α〗_i （i=1,2,…,6）（∆θ呂勝利為0°位置之誤差），接著提出校正型運動學取代現有之解析法運動學，以將校正所得之補償參數補償於機器人控制器提升精度；本文提出之方法進行校正後可降低約90%之誤差。