機器人精度提升校正技術

摘要：機器人精度提升是一項很重要的技術，由於機器人廣泛應用於工業上的組裝、搬運、製造與加工等，要如何提升機器人的準確性與效能是十分重要的，透過校正流程，包括對機器人的感測、定位和運動控制系統進行調整優化，機器人可以更準確地執行任務，降低錯誤率，提高生產效率，擴大機器人應用的範圍，從而增強其應用價值和競爭力，而隨著智慧與學習技術的發展，機器人精度校正技術也在不斷進步，為各行各業帶來更多應用和創新，因此，本文討論了機器人精度校正方法，並透過此方法找出造成定位偏差的連桿尺寸、組裝誤差等，進而提升機器人的精度，以符合焊接、組裝需求等應用。
Abstract：Robot accuracy improvement is a crucial technology because robots are widely employed in industrial tasks such as assembly, handling, manufacturing, and processing. Enhancing the accuracy and efficiency of robots is vital. Through calibration processes involving adjustments and optimizations of the robot's sensing, positioning, and motion control systems, robots can execute tasks more precisely, reduce error rates, enhance production efficiency, expand the scope of robot applications, thereby enhancing their value and competitiveness. With the advancement of intelligent and learning technologies, robot accuracy calibration techniques are continuously evolving, bringing about more applications and innovations across various industries. Therefore, this article discusses the robot accuracy calibration method. Through this approach, factors causing positioning deviations such as link dimensions and assembly errors can be identified, thus improving robot accuracy to meet the requirements of applications like welding and assembly.
關鍵詞：機器人、精度校正、精度量測
Keywords：Robot, Accuracy calibration, Accuracy measurement

前言
在現代工業和科技領域，機器人已成為不可或缺的重要工具，廣泛應用於生產製造、服務行業和研究領域。然而，隨著機器人應用範圍的擴大和任務的複雜化，對機器人精度和效能的需求也日益提高。機器人的準確性對許多應用來說非常重要，例如精密組裝、自動化加工和醫療機器人等領域，甚至在日常生活中的類人型機器人也需要高度的精度來確保安全和效能，而機器人精度校正是實現這目標的重要技術之一，通過對機器人的感測、定位和運動控制系統進行調整和優化，可以提高機器人的定位準確性和穩定性，並降低錯誤率，在本文中，我們將探討機器人精度校正的方法和技術，並說明其系統架構與校正流程，探討如何利用這些技術來提高機器人的精度，從而滿足不同領域的需求。而主要造成機器人的定位誤差主因包含下列五個因素。
1.機械結構和裝配中的公差
在機械結構和裝配中，公差是指製造過程中零件尺寸和位置的可接受偏差範圍。這些公差可能由於製造過程中的各種因素，例如機械加工精度、材料特性和裝配過程中的變異性等而產生。當這些零件組裝成機械結構或連接成關節時，這些公差將會累積，導致實際終端效應器的姿勢與理想姿勢存在較小的誤差。換句話說，機械結構和裝配中的公差會導致結構部件之間的微小偏差或間隙，進而影響到機器人中終端效應器的定位和姿勢。例如，在機器人的關節部分，如果連接處存在一定的間隙或公差，當機器人移動時，這些公差可能會導致關節位置的微小變化，進而影響到終端效應器的姿勢。
2.馬達軸上的編碼器安裝可能不一致
馬達軸上的編碼器是用於測量馬達轉動位置和速度的重要組件之一。然而，安裝過程中可能存在各種因素，例如安裝誤差、安裝工藝不一致或製造差異等，導致馬達軸上的編碼器安裝可能不一致，這些不一致將導致編碼器測量的轉動位置和速度存在一定的誤差或不準確性，這對於需要高精度位置控制或速度控制應用來說尤其重要。
3.連桿的尺寸誤差累積
連桿的尺寸誤差主要來源於製造過程中的公差、安裝過程中的對準誤差、材料的熱脹冷縮、連桿的剛性等，這些誤差會導致連桿的實際尺寸與設計尺寸不符，由於機器人是開放鏈架構，這些誤差將不斷地隨著各軸累積，即使每軸的誤差很小，累積到末端也會造成顯著的姿態偏移。
4.控制器的定位誤差
機器人在執行運動和定位任務時，實際位置與期望位置之間的偏差，這種誤差對機器人的精度和性能有著重要影響，主要來源為感測器誤差(如解析度限制、雜訊、量測不確定度等)、數據延遲(閉迴路控制的感測器回授時間延遲)、數值計算誤差(運動學計算誤差)、控制模型不準確等，將會導致機器人無法在多次操作中達到相同的位置和姿態，從而影響系統的重複性和可靠性。
5.終端效應器的誤差
終端效應器的製造和裝配過程中可能會產生機械結構誤差，如零件尺寸不精確、安裝位置偏差、連接部件的鬆動、磨損、彎曲等，都會直接影響機器人的定位精度，使其無法精確到達預定位置。
本文主要針對機械結構和裝配中的公差、馬達軸上的編碼器誤差以及連桿的尺寸誤差等硬體誤差影響因素，建立相關靜態校正補償機制，來使得機器人的定位控制精準度得到一定程度的提升。對系統而言，機器人精度校正的重要性在於確保機器人在各種應用中能夠精確地執行任務，精度校正不僅提升機器人的性能，還對生產效率、產品品質和操作安全性有著直接影響，如提高機器人的定位精度，使其能夠在空間中準確定位並執行預定任務，提高重複度，對於生產線上等需要多次重複操作的應用十分重要，也可以減少機器人在操作過程中的抖動和振動，提高運動的穩定性，透過精度校正可以有效地減少誤差，提升機器人的整體性能，滿足現代工業和服務應用中的高精度需求。
機器人精度校正系統
機器人精度校正系統以提升機器人定位精度，該系統通過測量、分析和補償誤差，確保機器人能夠準確地執行其操作任務，以下是機器人精度校正系統的五種主要組成。
1.高精度感測器
高精度感測器(如雷射追蹤儀、攝影測量系統、編碼器、IMU等)用來測量機器人各部件的位置和姿態。這些感測器提供精確的即時數據，幫助檢測和校正誤差。本文採用NDI感測器，如圖1。

圖1 NDI六維度高精度感測器

2.與感測器配合之終端效應器
如裝置雷射反射球、紅外線測量光球、編碼器等，用來獲取3維或6維資訊之感測器配件，其裝置加工尺寸需被嚴格要求，因其誤差在校正過程中是被忽略的。本文採用NDI的感測球，並設計固定感測球之治具，如圖2。

圖2 裝置NDI感測球之終端效應器