人工和工业机器人重复操作定位精度比较

计算机在生物学和医学的应用28（1998）415-421 人工和工业机器人重复操作定位精度比较

Jure Zupancic*, Tadej Bajd

卢布尔雅那大学电气工程学院，TrzÏasÏka 25, SI-1000 卢布尔雅那，斯洛文尼亚

1997年12月8日

摘要机器人重复定位精度性能所受的影响。操作机器人的重量-有效载荷的比例要明显的高于人工操作。支撑的使用提高了机器人的上述性能。这个策略模仿了人工操作时的动作。将机器人和操作人员在相同的条件下操作做一次比较。通过OPTOTRAK®运动分析系统完成了非接触式重复定位精度测量的测试。实验结果表明机器人和操作人员的定位精度在使用支撑后得到了相当大的改善。

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关键词工业机器人，人为操作的重复性，标准，测量，支撑战略

1介绍

现代机器人中代替操作人员执行装配任务的机械手通常是按照人类的胳膊和手

来设计的。机械对应人工操作发展的主要目标是实现功能改善，如提高速度，增加有效载荷能力，提高定位精度和可重复性。然而，当负载不超过3公斤时，经评估发现机器人的重量—有效载荷比是人类在相同操作情况下的10倍以上。从技术和经济的角度来看这个比例的减少与机器人的效率密切相关。提高这个比率的传统原则是引入更轻的材料，创建一个新的结构，设计新的执行器。

在特殊情况下，使用适当的支撑体能够增加机器人的绝对精度和可重复性。支撑的方法是模仿人类在精细运动操作时的行为，以便能适应更高的精度和可重复性要求的需要。操作员在进行精确的操作任务时往往会像工作时的钟表匠一样为他的前臂，手腕处，肘关节等找一支撑体。同样道理也可以用在机器人身上。

除了一些估计，在人工和机器人的表现之间并没有明确的比较。这次研究的目的是为了是机器人和人工操作者在有支撑和没有支撑的条件下作一个操作技术的比较。

2方法

工业操作机器人的重复定位精度测试按照ISO 9283的标准进行测试。多维数据集

与最大音量是在工作区中最常见的预期用途。五个点（P1—P5），如图所示，分别位于图中选定平面的对角线上。接触式的OPTOTRAK®/3010运动分析系统用于测量实际位置（如图2所示）。测量P1，P2，P3，P4和P5的位置。经过30次的重复测量后，重复定位精度达到了ISO 9283标准的要求。可重复性由以下的公式计算：

,3D S D r += (1)

,11

∑==n

j j D n D (2) ,)()()(222z z y y x x D j j j j -+-+-=

(3)

图1 在机器人工作区内定义测量点（P1-P5）。

图2 重复定位精度测量设备。

,1

)(12--=∑=n D D

S n j j D (4)

其中x j , y j , z j 表示标称位置，z y x ,,表示实际位置和S D 的位置的偏差。重复性试验测试的是机器人（1），有支撑的机器人（2），操作员（3），前臂支撑的操作员（4）。其中在（1）和（2）中机器人执行的是指定的程序。参加测试的操作人员要按照相同的标准执行相同的命令。标准的操作是将有五个环的目标定位到操作员工作空间线框。以相同的标准测量操作员的手和机器人的操作臂。为操作员和机器人准备相同大小的操作空间。在（2）中使用相同的鞍形支撑体。在（4）中用一个水平棒支撑操作员的前臂。四个测量情形如下图3所示。

3 测试和结果

我们在实验室里用工业操作机器人Asea Irb 6来进行测试。附加的部分连接到机器人上从而能够对其做出有利支撑。对于（1）（图3a ）的情况下附加部分的重量是

1.65公斤，而在（2）中（图3c ）附加部分的重量是

2.15公斤。差异是由支撑部分引起的。人工操作员的持有测量刚体的重量是0.8公斤。3个操作员参加了测试。假定人体体重的5%为手臂的重量。在人手上附加0.9公斤的重量来模拟机器人手上的相同重量的工具。重量-有效载荷比大约为（a ）无支撑机器人82，（b ）无支撑操作人员

2.4，（c ）支撑机器人62，（d ）有支撑的操作员5.

图3 四个类型的测量（a ）自由移动机器人，（b ）操作人员，（c ）支撑机器人，（d ）支撑前臂的操作员

图4 基于自由机器人和支撑机器人的可重复性测试结果

图5 基于自由操作人员和支撑前臂的操作人员的可重复性测试结果在以上四个直方图中（图4和图5）展示了指定的四个类型的位置重复性测量结果。

支撑机器人的可重复性比自由机器人改善了大约50%。有支撑的操作人员同比增长了

大约25%。请注意，该机器人的重量-有效载荷比高出了操作人员的10倍多。

对机器人应用支撑是对人类行为的模仿。对重复定位精度的性能标准进行了研究。按照ISO 9283的标准对工业机器人进行了重复性测量。这是第一次在ISO 9283的标准下对操作人员的操作技术进行的位置重复性测量。结果表明机器人和操作人员在有支撑体支撑的条件下位置重复性得到了显著的改善。这项研究鼓励了研究人员对于支撑方案进行进一步的研究。操作人员位置重复性的研究同样也可用于人体工程学的研究。

5总结

工业操控机器人的准确结构或多或少的模仿了人类的手臂。完全复制人类的结构通常并不能得到让人得到满意的结果，因此最大额定负载低于3千克的现代机械手要逊色于人工操作。用于改善机器人操作性能的支撑方法是对自然人行为的结构和功能的模仿。操作人员在进行精准的操作任务时经常会为他的前臂、手腕处或肘关节做一些支撑，就像是钟表匠工作时那样。同样的道理可用在机器人上，用来改善精度、可重复性、刚度、有效载荷能力和机械振动等机械特性。

我们研究的目的是通过比较机器人和操作人员的表现来得到关于位置重复性的

简明技术。ISO 9283关于操控工业机器人性能标准及相关测试方法的标准是对其进行比较研究的基础。检测设备是围绕着非接触式3-D运动分析系统OPTOTRAK®/3010 (Northern Digital)建立。位置重复性实验是由机器人Asea Irb 6和操作人员在相同的实验条件下完成的相同的试验任务。机器人和操作人员在自由和有支撑的条件下进行了测试。有支撑的机器人的重复定位精度比自由机器人高出了约50%。有支撑的操作人员则同比增长了25%。机器人的重量-有效载荷比超过了操作人员的10倍。这研究结果鼓励了研究人员对支撑机器人的运动学作进一步的研究。本次研究结果可以作为人体工程学研究的参考。

致谢

斯洛文尼亚科学和技术部对本次研究工作提供了部分赞助。感谢Dana MaurovicÏ和Ivan LoncÏar对上述测量作出的贡献。