Chapter I: Introduction

1.1 目标

我们项目的目标是设计和实现一个使用6轴工业机器人的新的工作对象校准系统。与目前的解决方案相比，该系统可以为更大范围的工件提供精确的校准。

1.2 问题陈述

在当今世界，制造业是推动现代经济发展的主要来源之一。市场需求的增加要求生产在实现良好质量的同时实现高效率。为了实现这一目标，使用机器人来取代人类劳动力似乎是一个不断增长的趋势，因为机器人可以实现更高的效率，同时成本比人类工人低。一个很好的例子是工业机器人技术的实施。富士康，一家提供全球消费电子收入约40%的电子制造商，最近声称他们已经用工业机器人手臂取代了6万名装配员工（Wakefield，2016）。在过去的几十年里，工业机器人已经被广泛引入。它们能以高效率重复完成许多枯燥、肮脏或危险的工作。
工业机器人的离线编程在制造过程中被广泛使用。离线编程的概念可以被看作是模拟。通常情况下，离线编程软件提供一个带有机器人CAD模型的虚拟环境。工程师可以建立一个模拟的生产场景，在离线编程界面对机器人进行编程，如图1所示。离线编程有两个主要优点。第一个是效率。新的程序可以在不停止生产的情况下进行虚拟测试，从而避免因升级或维护而导致的系统可用性损失（DELFOI，2016）。第二个是路径规划的灵活性。离线编程使程序设计者能够生成比机器人点动（在线编程）更复杂的轨迹。

然而，离线编程的一个主要缺点是，当外部环境发生变化时，它不能及时和正确地作出反应。因此，需要花费时间和人力定期对这些机器人进行重新调整或重新编程，以保持其在大规模生产任务中的性能，如点焊、密封、弧焊、装配和水喷射切割。灵活性损失的一个明显例子是改变工件的位置。每次当一个新的工件被放置到加工台上时，可能会发生小的系统偏移，偏离线性或角度位置，或两者都有。如果这些小偏移没有得到补偿，它们将被放大，很可能导致加工失败。因此，必须对每个工件的位置进行测量和校准，然后将其实际位置以矢量形式（[x, y, z, θz, θy, θx]T）更新到机器人控制器。在工业机器人领域，这一程序被称为工作对象校准。
传统上，工作对象校准是通过人工测量来实现的，这种方法一般比较费时，而且不准确。随着机器人技术的发展，最近出现了自主解决方案。市场上有一些自动化的工作对象校准方法。

• Dynalog公司的DynaCal机器人单元校准方法解决方案（DynaCal Inc., n.d.）和
• LEONI公司的Advintec解决方案（Leoni, n.d.）是两个有代表性的商业解决方案，它们都可以通过测量参考点的位置对工件进行高精度校准。

然而，它们的缺点之一是，这些方法只在物体的平面上确定参考点来处理。这种解决方案只支持校准特定类型的工作单元。如果工作对象的某些部分是弯曲的，如涡轮盘，那些存在的校准方法就不会有效。
一种新的工作对象校准方法，能够根据检测其更广泛的特性而不是只检测其平面来校准工件 从理论上讲，它能比目前现有的方法校准更多类型的工件。如果有了这种新方法，工作对象校准将完全成为自主的，相对于手工校准，这将节省大量的劳动做。

1.3 建议的解决方案

为了完成校准，手臂的末端效应器可以握住工件接近固定的测量工具，或者使用测量工具接近固定的工件。测量后，系统使用我们开发的校准算法来获得真实坐标系。最后，真实坐标系统被更新到离线编程界面中，偏移量被成功恢复。实现的校准精度在0.2毫米以内。

1.4 客户价值主张

传统上，为了实现工作对象的校准，潜在客户通常会雇佣有经验的技术人员对工件进行手动校准。技术人员的工资是根据他们的工作时间或效率来计算的，这种雇佣对客户来说是一笔巨大的开支。此外，人工校准的整体效率也不够高。每个校准过程的平均工作时间约为20分钟，精度只能达到0.4毫米左右（顾浩，2015），这在许多需要精细加工的工业领域是不可接受的。
潜在客户也可以选择市场上的自动校准产品之一，如DynaCal或Advintec Solution。诚然，那些产品可以在短时间内达到0.02至0.5毫米的高效率，从15秒到20分钟不等，这取决于物体的尺寸和形状。然而，这些产品只能校准具有平坦表面的物体。如果客户需要校准大部分为曲面的物体，如涡轮盘，则不能使用这些方法。因此，需要引入一种新型的校准系统。
使用我们的物体校准系统进行校准可以在很短的时间内达到非常好的精度。每次校准的总运行时间从10秒到30秒不等，其精度优于0.2毫米。由于新的校准方法是用来检测物体的某些部分，根据其特性，它可以支持校准含有弯曲表面的工件。此外，客户可以大规模地实施该校准系统，而不需要额外的劳动力。
如果我们的系统投入使用，客户唯一要考虑的是定期维护。当系统被长期使用时，测量工具本身可能会出现一些微小的偏移。为了保持校准中的最佳性能，需要对系统的测量工具进行校准。我们的系统也为测量工具的校准提供了一个彻底的解决方案。该解决方案是统一的，易于操作，技术人员可以通过短时间的培训来掌握它。我们预计，系统维护只需要每六个月实施一次，工具校准过程持续五分钟。总的来说，我们的物体校准系统有可能比现有的校准解决方案支持更广泛的使用范围。它也有潜力实现更高的效率和更好的精度，与传统的手工校准相比，劳动量更少，维护更简单。

Chapter II: Background

2.1 工业机器人

2.1.1 概述

工业机器人是一种用于制造业的机器人系统。它们是自动化的、可编程的和能够移动的。为了实现灵活的运动，工业机器人通常有多个关节。关节的数量等于链接的数量。大多数工业机器人都有6个关节，因为这种机器人可以实现[x, y, z, θx θy θz]T形式的任何姿势，其中包含6个自由度，在我们的三维世界中。机器人的灵活性使它能够在可触及的距离内操纵多种类型的物体。焊接、喷漆、装配、拣选和放置、包装和贴标签以及码垛是工业机器人的典型应用。这样的工作需要很高的耐力、速度和精度。工业机器人能够很好地完成这些任务。它们通常被广泛用于各种工业环境中。一旦对工业机器人进行编程，它就可以自动和有效地工作。
我们在这个项目中使用的工业机器人是ABB机器人IRB 1600（6公斤）工业机器人（ABB机器人，IRB1600_PR10282EN-I.pdf，2017），它有6公斤的搬运能力，半径可以达到1.2米。旋转速度高达460度/秒，机器人的位置重复精度为0.02毫米。

2.1.2 末端效应器

末端效应器是安装在工业机器人手臂末端的设备，它被设计用来与环境和机器人本身互动，以实现制造业的多种功能。例如，典型的末端效应器包括 “焊接装置（如MIG焊枪、点焊机等）、喷枪，以及研磨和去毛刺装置（如气动圆盘或皮带磨床、毛刺等）和抓手（可抓取物体的装置，通常为机电或气动）” （Bonev，2013）。一个好的终端效应器能够固定工具或工件不动。换句话说，有很多方法可以设计末端效应器，只要设计能够实现目标，满足项目的要求。
由于末端效应器有不同的尺寸，精确定位末端的中心点是至关重要的。定位工具中心点的过程被称为工具中心点（TCP）校准。除了手动测量其笛卡尔坐标外，工业机器人一般有一个内部程序来自动确定工具中心点。下一节将讨论TCP校准的详细背景信息。

2.2 刀具中心点（TCP）校准

2.2.1 ABB导航仪

ABB导航仪是一种校准方法，它可以自动准确地找到TCP，如图3所示。与其让用户手动指出位置，不如给机器人配备一个球形探测工具，机器人单元在夹具上准备有球形物体的安装孔。校准是通过让机器人定位安装上的球形物体来进行的。传感器机制是触觉的，也就是说，物体之间的接触被确定并导致机器人停止。实心球体连接到地面，并对球形探头施加电压。当一个电路建立时，物理触摸被检测出来。当两个球形物体接触时，电路被建立。I/O值被改变，当前坐标系被存储。

2.2.2 TCP的牛眼校准

牛眼法可以确定刀具的TCP和方向，如
图4。TCP是机器人工具末端的坐标系。这种方法的一个主要限制是，它只适用于圆柱形的工具。
公牛之眼使用激光技术进行校准。通过在激光束中移动机器人工具，考虑到工具的名义几何形状是已知的，可以确定工具同心部分的物理宽度。中心线可以被计算出来。基于确定的中心线，工具的方向被设定。最后，确定TCP。
Bull’s Eye方法可以确定中心线和工具的末端，但该方法不能找到探针球体的中心点。然而，它可以确定X、Y中心线和刀具在Z轴上的末端。换句话说，如果探针的半径是已知的，TCP就可以用数学方法确定。

2.2.3 Laser Lab

激光实验室是一种基于激光的校准技术，如图5所示。该方法由一个名为 “激光实验室 “的测量装置和一个测量球组成。激光实验室的测量装置由五个独立的激光传感器组成。激光传感器被放置在设备中的五边形中，并被对齐，以便五个激光射线将相交于一个公共点。通过在激光设备中定位球体，球体表面的位置可以在三维空间中确定。这是通过测量五个传感器中每一个的距离得到的。通过获得表面点，可以确定球体的位置。(Bergstrom, 2011)

2.3 工作对象校准

2.3.1 ABB机器人手册方法

在ABB机器人手册中，它有一个内置功能，可以通过测量三个点的位置来定义一个工作对象，其中两个在X轴上，一个在Y轴上，如图6所示。这种方法很容易使用，因为它是ABB机器人内置的。然而，这种方法只能校准最基本的立方体工作对象。它还需要人的眼球和手来点动机器人手臂。它的速度很慢，误差为0.5毫米，与其他方法的结果相比，误差很大。(ABB机器人公司，操作手册RobotStudio, 2007)

2.3.2 Dynalog公司的DynaCal机器人单元校准解决方案

DynaCal机器人单元校准系统（DynaCal公司，n.d.）是Dynalog公司生产的校准系统。它可以消除机器人安装中理想设计和工件实际位置之间的差异。这种方法也使用激光跟踪器。激光传感器被手动放置在工作对象的几个点上。通过比较物体的理论位置和实际位置，可以确定一套从机器人轴到伺服控制器的转换参数的修正值。该方法的精度约为0.2至0.3毫米。这种想法的优点是操作者是独立的，这意味着操作者可以在所有工位上移动。这个想法的缺点是它需要额外的设备。此外，它是相对昂贵的，并且需要大量的设置阶段。

2.3.3 机器人工作对象校准的发射器法

这种机器人工作对象校准方法包括一个工作对象或一个发射器，如图7所示。最初，工作对象被放置在车间的夹具或工件上的一个选定位置。工作对象发射出一对光束投影激光器，这对激光器在工具接触点相交，并作为一个十字准线。机器人工具被操纵到工具接触点。工作对象发射四个平面投影激光器，用于调整机器人室相对于工具接触点的滚动、偏航和俯仰。机器人工作对象校准方法提高了离线编程的准确性，减少了机器人教学时间。与其他方法相比，这种方法的标定速度更快，精度更高。然而，主要的制约因素是发射器必须安装在工作对象上才能发挥作用。(美国专利号：US20120265341, 2012)

2.4 其他系统组件

2.4.1 测量工具

测量工具主要用于机器人制造。我们将讨论机器人行业中最常用的几种传感器及其性能。
相机，是一种图像传感器，可以检测物体并将物体转变成图像信息。它可以检测不同波长的光，并将该信息转变成模拟或数字信号。
探头也被称为接触式位移传感器。它可以测量与目标的距离，精度高，耐用性强。触点撞击目标并根据目标表面的波动而上下移动。
激光传感器可以检测到一个物体的存在。这与激光测距仪不同。
传感器。这种类型的传感器不能告诉目标和传感器之间的距离。它只能知道目标是否存在。
激光测距传感器也被称为激光位移传感器。它可以测量
它能以高速、准确和精确的方式测量距离和位置。当发射器向目标发射激光时，接收器接收反射的激光束。

2.4.2 传感器通信

在传感器通信中，我们有几个可能的端口，其中包括串行（即COM1）端口、以太网、模拟输入和数字（GPIO）输入。通信方式在很大程度上取决于我们选择的传感器。例如，我们的激光测距传感器的通信端口是COM1端口，而激光传感器的输出端口是数字输入。

2.4.3 机器人通信

机器人通信在我们的项目中非常重要，因为工业机器人需要与传感器和处理单元进行通信。在本节中，将介绍工业机器人中使用的几种通信方法。TCP/IP插座、DeviceNet和ABB的PC SDK。了解它们是很重要的，因为它们各自都有自己的优势。
ABB的PC软件开发工具包（PC SDK）是其中一种高级通信方式。它是一种软件工具，使程序员能够为机器人控制器开发定制的操作界面。这些应用应通过NET编程语言C#或Visual Basic.NET进行编程。这种定制的应用程序可以实现为独立的PC应用程序，通过网络与机器人控制器进行通信（ABB公司，ABB-开发人员中心，2016）。使用ABB PC SDK的好处是，有许多有用的ABB内部函数或库可以在C#编程中调用。ABB控制器不需要任何额外的编程。例如，我们可以在PC中设计一个程序，通过网络显示机器人的实时坐标。使用ABB PC SDK的缺点是，它只与Windows系统兼容，不与Linux兼容。
另一种高层通信是DeviceNet。DeviceNet是一种用于自动化技术的现场总线标准。DeviceNet使用控制器区域网络作为其基础通信协议，并为各种设备提供特定的应用配置文件（Controller Area Network Sdn Bhd, 2013）。ABB控制器有许多支持DeviceNet的模块。最有名的是DSQC 652 I/O单元。使用DeviceNet的好处是，它可以简单而稳定地连接数字信号。例如，激光传感器可以通过DeviceNet向ABB控制器输出高或低信号。缺点很明显，它不能支持复杂数据的通信。例如，一些浮点数据，如校准结果，很难通过DeviceNet传输给ABB控制器。
在某些情况下，DeviceNet和ABB的PC软件开发工具包都无法使用，例如在Linux系统上运行。因此，我们可以自己通过TCP/IP套接字来进行通信。我们可以使用C#、Python或其他支持的编程语言实现TCP/IP套接字。

2.4.4 处理单元

为了选择哪种类型的处理单元可以在我们的校准系统中适当使用，我们对以下类型做了一些研究。
一种选择是使用PC。个人电脑（PC）是可以访问的最强类型的处理单元之一。它有多种类型的I/O，支持广泛的通信协议。要使用一台个人电脑，必须有一个操作系统（OS）。它的主要工作是动态地将硬件和软件资源分配给程序。不同的操作系统有不同的设计逻辑。最广泛使用的操作系统，Windows，是一个典型的闭源操作系统，它的资源分配逻辑只能由系统访问，普通用户或管理员没有权限修改它。另外，另一个操作系统，Linux，是开源的。Linux的所有者可以是根用户，它对操作系统有最终的访问权，包括将一定数量的计算资源分配给特定的应用程序。一般来说，在硬件上，PC是相当强大和兼容的。在大多数情况下，系统对中断的反应在Linux上比在Windows上更稳定。(Stallings, 2005)。
另一个选择，嵌入式系统，也是一个计算系统，但功能不如PC。随着芯片制造的发展，许多新型的嵌入式系统能够处理更复杂的计算，甚至在顶层运行带有许多应用程序的操作系统。其中一个典型的例子是Raspberry Pi。它目前支持运行Linux和Windows物联网，并包含主流的接口。USB 2.0、3.5毫米音频插孔、HDMI、以太网和GPIO等。随着物联网（IoT）的趋势，越来越多的智能设备采用树莓派等嵌入式系统。
最后一种选择是现场可编程门阵列（FPGA）。与PC和嵌入式系统相比，FPGA的知名度较低。正如其名称所示，FPGA通过修改其内部逻辑门来实现某种类型的逻辑处理。由于每一步处理都是基于寄存器传输级（RTL）设计，它通常作为一个协处理器，与另一个嵌入式系统一起运行。FPGA的主要优点之一是效率高。根据National Instrument网站上介绍FPGA的白皮书。”FPGA超过了数字处理器的计算能力，它打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的工作”（美国国家仪器公司，2012）。因此，FPGA被广泛用于需要快速处理的行业中。

Chapter III: System Operation

在这一章中，我们描述了系统在各种用例中的操作。具体来说，我们讨论如何设置系统和如何运行系统。

3.1 设置系统

设置校准系统需要五个步骤。
1. 第一步是了解该系统的目的，该系统是为了在工业机器人领域进行物体坐标校准。然后，系统提供校准两类物体的坐标：同轴和对称类型的物体和规则形状的物体。因此，用户应该知道他们的物体是否属于这些类型中的任何一种，以及物体属于哪种类型。例如，铝锭是典型的规则形物体，而钻头或焊枪是典型的同轴对称物体。
2. 第二步是将其特定类型的物体与相应的测量工具相匹配。校准同轴和对称物体应使用U型测量工具，而校准规则形状的物体应使用激光测距传感器测量工具。
3. 第三步是确定物体的安装位置和测量工具的安装位置。如果物体安装在机器人的末端效应器上，那么其对应的测量工具应安装在机器人旁边的固定位置；如果物体放置在机器人旁边的固定位置，那么其对应的测量工具应安装在机器人的末端效应器上。再以铝锭和钻头为例。通常情况下，铝锭应该被放在一个支架上。为了校准其坐标，测量工具，激光测距传感器的测量工具应安装在末端效应器上。钻头通常安装在机器人的末端效应器上，因此其对应的测量工具—U型测量工具应安装在机器人旁边的某个固定位置上；但如果用户要校准固定在工作支架上的钻头的坐标，则应将U型测量工具安装在末端效应器上。
4. 第四步是调整测量工具。这个过程有助于测量工具在以后的校准中达到较高的精度。激光测距传感器测量工具和U型测量工具的调整程序分别见第4.3.1节测量工具校准和第4.4.1节测量工具校准。
5. 最后一步是最终确定设置。如果使用的测量工具是U型测量工具，那么用户应该将U型校准器（在相应的测量工具调整部分提到）切换到物体上。如果使用的测量工具是激光传感器测量工具，那么用户应该点动机器人，选择样品物体上的测量点。这些点的位置将被记录在校准程序中。关于点选择的细节见第4.3.2节。
在正确完成这五个步骤后，用户就成功地设置了校准系统。
请注意，除非固定测量工具的位置发生变化，否则用户只需要设置一次。

3.2 运行系统

运行校准系统的程序很简单。用户只需根据校准的属性（3.1节中提到的对象类型和对象的位置）运行相应的程序。有关对象校准的详细信息可参考第4.3.2节和第4.4.2节。