機械手設計英文參考文獻原文翻譯

1、翻譯人：王墨墨 山東科技大學文獻題目：automated calibration of robot coordinatesfor reconfigurable assembly systems翻譯正文如下：針對可重構裝配系統(tǒng)的機器人協(xié)調(diào)性的自動校準t.艾利，y.米達，h.菊地，m.雪松日本東京大學，機械研究院，精密工程部摘要為了實現(xiàn)流水工作線更高的可重構性，以必要設備如機器人的快速插入插出為研究目的。當一種新的設備被裝配到流水工作線時，應使其具備校準系統(tǒng)。該研究使用兩臺電荷耦合攝像機，基于直接線性變換法，致力于研究一種相對位置/相對方位的自動化校準系統(tǒng)。攝像機被隨機放置，然后對每一個機械手執(zhí)行

2、一組動作。通過攝像機檢測機械手動作，就能捕捉到兩臺機器人的相對位置。最佳的結果精度為均方根值0.16毫米。關鍵詞：裝配，校準，機器人1 介紹21世紀新的制造系統(tǒng)需要具備新的生產(chǎn)能力，如可重用性，可拓展性，敏捷性以及可重構性 1。系統(tǒng)配置的低成本轉(zhuǎn)變，能夠使系統(tǒng)應對可預見的以及不可預見的市場波動。關于組裝系統(tǒng)，許多研究者提出了分散的方法來實現(xiàn)可重構性23。他們中的大多數(shù)都是基于主體的系統(tǒng)，主體逐一協(xié)同以建立一種新的配置。然而，協(xié)同只是目的的一部分。在現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)中，例如工作空間這類物理問題應當被有效解決。為了實現(xiàn)更高的可重構性，一些研究人員不顧昂貴的造價，開發(fā)出了特殊的均勻單元456。作者為裝配

3、單元提出了一種自律分散型機器人系統(tǒng)，包含多樣化的傳統(tǒng)設備78。該系統(tǒng)可以從一個系統(tǒng)添加/刪除裝配設備，亦或是添加/刪除裝配設備到另一個系統(tǒng)；它通過協(xié)同作用，合理地解決了工作空間的沖突問題。我們可以把該功能稱為“插入與生產(chǎn)”。表1：合作所需的調(diào)節(jié)和量度標準例子任務標準人物，工具，語言方面的知識報告標準草案，結果幾何標準地圖，坐標系統(tǒng)，機械功能/尺寸物理標準單元和方向（力，速度，電勢等），時間在重構過程中，校準的裝配機器人是非常重要的。這是因為，需要用它們來測量相關主體的特征，以便在物理主體之間建立良好的協(xié)作關系。這一調(diào)整必須要達到表1中所列到的多種標準要求。受力單元和方向的調(diào)整是不可避免的，以便

4、使良好的協(xié)同控制得以實現(xiàn)。從幾何標準上看，位置校準是最基本的部分。一般來說，校準被理解為“絕對”，即，關于特定的領域框架；或者“相對”，即，關于另一個機器人的基本框架。后者被稱為“機器人之間的校準”。個體機器人的校準已被廣泛研究過了。例如，運動參數(shù)的識別就非常受歡迎。然而，很少有對機器人之間校準的研究。玉木等人是用一種基于標記的方法，在一個可重構的裝配單元內(nèi)，校準機器人桌子和移動機械手之間的相互位置/方向聯(lián)系。波尼茲和夏發(fā)表了一種校準方法。該方法通過兩個機械手的機械接觸來實現(xiàn)，實驗非常耗時，并要求特別小心地操作。在本文中，我們針對圖1中所示的可重構裝配系統(tǒng)，提出了一種自動校準方法。在該系統(tǒng)中，

5、一個機器人工作時，另一個額外機器人可以輕松插入并開始工作。系統(tǒng)中安裝了兩臺攝像機，作為快速簡單設備。該方案是為整體裝配單元而開發(fā)，在協(xié)調(diào)系統(tǒng)中也具有更加廣泛的應用。圖1：重新配置裝配系統(tǒng)在第2節(jié)中，將介紹一種攝像機的算法問題。第3節(jié)研究校準。在第4、5節(jié)中，我們討論實驗結果及其應用。第6節(jié)為總結。2 直接線性變換我們的校準方法是基于實體坐標的3d重建技術，這些實體正是通過直接線性代數(shù)變換方法，從攝像機圖像中變換而來的10。盡管很多精心制作的研究方法可以作為代替，例如蔡的那種研究方法11，但是直接線性變換法更加簡單，也能充分實現(xiàn)我們所需要的實驗結果。假設兩個攝像頭觀察同一個對象，我們就可以分別用

6、，通過每臺攝像機i（i=1,2）的影像平面來表示實體的位置。直接線性變換公式如下：式中，表示參考系中對象的位置； 表示未知的直接線性變換參數(shù)。我們把等式（1）（2）改寫為 u=f(x), (3)式中，。我們可以從實體的觀測結果來確定直接線性變換的參數(shù)，這些實體的坐標被稱為“控制點”。一旦直接線性變換的參數(shù)被識別，攝像機中的圖像將以的形式表現(xiàn)出所捕獲的實體3d重建坐標。3 校準方法3.1 校準綜述在本節(jié)中，我們提出我們的針對裝配系統(tǒng)重新配置的校準方法。通過圖1中所闡釋的兩臺攝像機，我們可以對機械手進行標記檢測，而通過這一檢測可以使兩個機械手的基本構架得以校準。我們在工作區(qū)內(nèi)測量一個有限體積，因為

7、對于校準每一部分體積都是必不可少的。注意，每一個機械手都在其末端器上進行了標記。我們打算在原有的機械手“b”的旁邊安裝一個新的機械手“a”。然后，我們對a與b的基本框架之間的轉(zhuǎn)化進行校準。在基本構架內(nèi)，分別用和表示a、b機械手上每一組標記的校準數(shù)據(jù)。我們可以通過每個機械手的內(nèi)部傳感器（編碼器）來計算和。注意，和分別包含四組標記的坐標，這些標記通過兩臺攝像機捕捉。校準程序大體概述如下：1. 一名人工操作員放置好兩臺攝像機，以便其對機械手a和b上的標記進行觀測。2. 機械手a在有限空間內(nèi)獨立運動，攝像機對其上的標記動作進行捕捉。成對的被抽樣標記為控制點。3. 然后機械手b在有限空間內(nèi)獨立移動，攝像

8、機也對其上標記的動作進行捕捉。成對的被抽樣標記為控制點。4. 機械手之間的相互位置關系從和中計算得出。我們的方法的顯著特點：l 校準程序基本是自動化的。人工操作員只需放置好兩臺攝像機，不管他們在哪里都可以檢測這些標記。l 攝像機的位置可以未知。因此我們可以隨機放置攝像頭的位置。l 可以獲得兩個機械手的基礎構架之間的轉(zhuǎn)換。很適合由自發(fā)的主體組成的分散系統(tǒng)。l 校準在有限空間內(nèi)進行（我們稱之為“校準空間”）。只有在校準空間周圍才能獲得可靠精度，在這一空間內(nèi)可以實現(xiàn)機器人之間的操作。3.2 問題公式化我們將用公式來表達上述程序。兩個機器人手臂之間的校準將用于計算一個仿射變換，這一變換可以將一個參考系

9、內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換到如下的另一個坐標系內(nèi)：式中，是機械手b在機械手a的坐標系中的一組標記的坐標； 表示旋轉(zhuǎn)； 表示轉(zhuǎn)換。我們可以把等式（4）寫成通過最小化下列指數(shù)，得到h，即可實現(xiàn)校準：由于提供了測量的位置，在等式（6）的右邊包含a的首項，表示機械手a的直接線性變換的校準誤差。包含b的第二項，表示直接線性變換的誤差，以及機械手b的仿射變換。3.3 通過迭代法進行參數(shù)識別等式（6）包含了待測量的34個參數(shù)：的11個參數(shù)，的11個參數(shù)，r的9個參數(shù)，以及p的3個參數(shù)。盡管這34個參數(shù)中有部分是多余的（因為r有3個參數(shù)），但是所有的參數(shù)對于計算等式（6）而言都是就等價的。在如此高維度空間內(nèi)做最小化相當耗時

10、，因此我們采用線性最小二乘法來進行迭代。該程序如下：1. 最小化計算出f。由于等式對和是線性的，所以使用最小二乘法可計算出f的最優(yōu)值。2. 用定值f最小化，從而計算出h。由于等式對于r和p中的元素是線性的，所以使用最小二乘法可計算出h的最優(yōu)值。3. 用定值h最小化j，從而計算出f。由于等式和對和是線性的，所以使用最小二乘法可計算出f的最優(yōu)值。4. 如果j值收斂于一點，就停止迭代。否則，返回到步驟2。注意，通過以上程序，j有可能不會收斂于總體最優(yōu)值，但它卻提供了一個通過微量估計達到足夠精度度的最佳方法。4 校準方面的實驗結果4.1 實驗裝置我們建立了一個實驗裝置，由兩套六自由度機械手和兩個由如圖

11、2所示的單色電荷耦合攝像機組成。每個機械手的手臂上都安裝了一個發(fā)光二極管，用來作為校準的標記。兩臺機械手都有的重復精度。每臺電荷耦合攝像機具有640*416的像素分辨率。 圖2 試驗設備4.2 準確度方面的結果當一個新的機器人安裝好后，轉(zhuǎn)換的精度取決于我們的校準方法。攝像機的布置說明詳見圖3。兩個機器人依次在校準空間內(nèi)移動。注意，攝像機應放置在任何可以捕獲到發(fā)光二極管標記的地方。 圖3：實驗中的攝像機布置 （a）較大的校準空間（200mm維度空間） （b）較小的校準空間（100mm維度空間） 圖4：校準精度兩個校準空間被用于不同尺寸的維度內(nèi)：一個200mm的多維數(shù)據(jù)集和一個100mm的多維數(shù)據(jù)

12、集。這是為了審核空間大小對于標準誤差的影響。發(fā)光二極管標記的位置被抽樣作為控制點，分布在每個維度內(nèi)的2*2*2到5*5*5的坐標格網(wǎng)點內(nèi)。校準的準確性可用以下的誤差指數(shù)來評估： （7） （8）通過校準中測得的數(shù)據(jù)進行計算，得出的和是“明顯的”校準誤差。這就意味著，校準誤差只有在校準進程內(nèi)用坐標網(wǎng)格點才可以評估。然而，由于我們需要校準空間內(nèi)的相等的內(nèi)插點，我們用 （9） （10）來求出大量點和點的值。因此，在機器人的實際操作中，和更接近誤差。在該實驗中，我們用5*5*5的坐標網(wǎng)格點中的位置數(shù)據(jù)進行計算，得出和。注意，當如圖4中的時，和就分別等于和。實驗結果如圖4所示。在狹小的校準空間內(nèi)，校準誤差

13、更小。增加控制點的數(shù)量增加將減小，但會讓校準時間變長。在當前的實驗中，當時，大概需要兩分鐘來完成校準；而當時，則大概需要十分鐘。實現(xiàn)精度在較大的校準空間內(nèi)大約為0.33mm，在較小的校準空間內(nèi)大約為0.16mm。這些值當然要比重復精度要大得多。前者代表“絕對精度”，被公認為是大約平均5到10倍的重復精度。我們也將這一精度與文獻的精度相比較； 壯等人12使用協(xié)調(diào)測量儀使機械手定位精度達到0.6mm；波尼茲9在最大應用接觸力的基礎上達到了0.3mm的精度。因此，即使我們使用的是普通攝像機，我們的方法達到的精度也相對較高。這足以實現(xiàn)機器人之間的操作，例如交接一個零件（圖5）。 圖5：校準之后的交接實

14、驗以下方法將進一步提高校準精度：l 個體機器人的校準（比如，它們的運動參數(shù)的識別）；l 使用更多的各項同性標記；l 使用更高分辨率的攝像機。5 自動校準的插入與生產(chǎn)“插入與生產(chǎn)”一詞，是表示該功能的通用名稱，該功能使制造系統(tǒng)78的可重構性成為可能。作者已經(jīng)編寫了“插入與生產(chǎn)”的基本程序?，F(xiàn)在，我們定義一種新的程序，用我們的校準方法，在裝配系統(tǒng)內(nèi)安裝一個新的機器人。一個新的機器人的插入過程應當按照如下步驟執(zhí)行：1. 一名人工操作員請求允許在裝配單元內(nèi)安裝一個新的機器人。2. 如果允許，操作員將機器人放置到裝配單元內(nèi)。3. 機器人向所有的現(xiàn)有裝配機器人發(fā)布自己的信息，這些信息包括其活動空間和大體位

15、置。這些可以由人工操作員來完成。4. 每一個現(xiàn)有機器人，有可能是新機器人的友鄰機器人，測量它與新的機器人之間操作的大體位置。5. 該新機器人和每一個友鄰候選機器人在大體的測量位置周圍執(zhí)行自動校準程序，該程序如前文第三節(jié)所述。6. 執(zhí)行完所有的校準之后，新的機器人進行裝配操作。以上所有的程序可以通過機器人之間的協(xié)調(diào)來完成。插件程序完成后，包括新機器人在內(nèi)的所有機器人通過協(xié)調(diào)，分別進行裝配。協(xié)調(diào)進程具體細節(jié)見8。6 總結本文針對裝配系統(tǒng)的可重構性，提出了一種自動校準的方法。兩個機器人基礎構架之間的轉(zhuǎn)換由兩臺攝像機進行校準，攝像機的放置要求精度不高。在本文中，我們闡明了以下問題：l 每一個機器人的基

16、礎構建由兩臺攝像機以及機器人上的發(fā)光二極管標記來校準。l 攝像機定位和機器人定位使得校準工作整體上得以實現(xiàn)。l 實驗中的校準誤差是0.2-0.6mm，與其他研究相比，該精度相對較高。l 校準工作在2到5分鐘之內(nèi)完成，因此它符合“插入與生產(chǎn)”的概念。我們編寫了一個程序，在插入與生產(chǎn)框架的裝配單元內(nèi)安裝一臺機器人。該方法將提高裝配系統(tǒng)的可重構性。7 致謝該研究得到了國際研究項目“智能制造系統(tǒng)/子整體制造系統(tǒng)”的支持。作者向子整體制作系統(tǒng)項目的所有成員致謝。8 參考文獻1科倫，y.等.，1999，可重構性制造系統(tǒng)，國際生產(chǎn)工程學會年報，48/2:527-540。2瓦肯尼斯，p.等，1995，柔性裝配

17、系統(tǒng)的設計，規(guī)劃及控制，工業(yè)計算機，26/3:209-218。3塞利格，g，庫茲菲特，d，1999，裝配控制基于主體的方式，國際生產(chǎn)工程學會年報，48/1:21-24。4玉木，k.等，1993，使用可移動電荷耦合機器人的可重構裝配中心，第24屆工業(yè)機器人基本理論及應用學術討論會論文集，119-126。5空斗，s.等，1998，環(huán)保類高級單元機器人的發(fā)展，國際生產(chǎn)工程學會年報，47/1:381-384。6哈奈，m.等，1999，針對市場的不確定性而采取的一種新的自主制造系統(tǒng) 美國物理協(xié)會：適應性生產(chǎn)系統(tǒng)，第二屆智能制造系統(tǒng)國際研討會論文集，15-22。7新井，t.等，2000，依靠“插入和生產(chǎn)”的敏捷裝配系統(tǒng)，國際生產(chǎn)工程學會年報，49/1:1-4。8新井，t.等，2001，使用插入與生產(chǎn)的自律分散型裝配系統(tǒng)，工業(yè)計算機，46/3:289-299。9波尼茲，r.