機(jī)械手設(shè)計(jì)英文參考文獻(xiàn)原文翻譯

1、翻譯人：王墨墨 山東科技大學(xué)文獻(xiàn)題目：Automated Calibration of Robot Coordinatesfor Reconfigurable Assembly Systems翻譯正文如下：針對可重構(gòu)裝配系統(tǒng)的機(jī)器人協(xié)調(diào)性的自動(dòng)校準(zhǔn)T.艾利，Y.米達(dá)，H.菊地，M.雪松日本東京大學(xué)，機(jī)械研究院，精密工程部摘要為了實(shí)現(xiàn)流水工作線更高的可重構(gòu)性，以必要設(shè)備如機(jī)器人的快速插入插出為研究目的。當(dāng)一種新的設(shè)備被裝配到流水工作線時(shí)，應(yīng)使其具備校準(zhǔn)系統(tǒng)。該研究使用兩臺電荷耦合攝像機(jī)，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(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)。攝像機(jī)被隨機(jī)放置，然后對每一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行

2、一組動(dòng)作。通過攝像機(jī)檢測機(jī)械手動(dòng)作，就能捕捉到兩臺機(jī)器人的相對位置。最佳的結(jié)果精度為均方根值0.16毫米。關(guān)鍵詞：裝配，校準(zhǔn)，機(jī)器人1 介紹21世紀(jì)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(gòu)性 1。系統(tǒng)配置的低成本轉(zhuǎn)變，能夠使系統(tǒng)應(yīng)對可預(yù)見的以及不可預(yù)見的市場波動(dòng)。關(guān)于組裝系統(tǒng)，許多研究者提出了分散的方法來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)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(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)中，例如工作空間這類物理問題應(yīng)當(dāng)被有效解決。為了實(shí)現(xiàn)更高的可重構(gòu)性，一些研究人員不顧昂貴的造價(jià)，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(jī)器人系統(tǒng)，包含多樣化的傳統(tǒng)設(shè)備78。該系統(tǒng)可以從一個(gè)系統(tǒng)添加/刪除裝配設(shè)備，亦或是添加/刪除裝配設(shè)備到另一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)例子任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)人物，工具，語言方面的知識報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)草案，結(jié)果幾何標(biāo)準(zhǔn)地圖，坐標(biāo)系統(tǒng)，機(jī)械功能/尺寸物理標(biāo)準(zhǔn)單元和方向（力，速度，電勢等），時(shí)間在重構(gòu)過程中，校準(zhǔn)的裝配機(jī)器人是非常重要的。這是因?yàn)?，需要用它們來測量相關(guān)主體的特征，以便在物理主體之間建立良好的協(xié)作關(guān)系。這一調(diào)整必須要達(dá)到表1中所列到的多種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)。從幾何標(biāo)準(zhǔn)上看，位置校準(zhǔn)是最基本的部分。一般來說，校準(zhǔn)被理解為“絕對”，即，關(guān)于特定的領(lǐng)域框架；或者“相對”，即，關(guān)于另一個(gè)機(jī)器人的基本框架。后者被稱為“機(jī)器人之間的校準(zhǔn)”。個(gè)體機(jī)器人的校準(zhǔn)已被廣泛研究過了。例如，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的識別就非常受歡迎。然而，很少有對機(jī)器人之間校準(zhǔn)的研究。玉木等人是用一種基于標(biāo)記的方法，在一個(gè)可重構(gòu)的裝配單元內(nèi)，校準(zhǔn)機(jī)器人桌子和移動(dòng)機(jī)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(zhǔn)方法。該方法通過兩個(gè)機(jī)械手的機(jī)械接觸來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)非常耗時(shí)，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(gòu)裝配系統(tǒng)，提出了一種自動(dòng)校準(zhǔn)方法。在該系統(tǒng)中，

5、一個(gè)機(jī)器人工作時(shí)，另一個(gè)額外機(jī)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(jī)，作為快速簡單設(shè)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(yīng)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(jī)的算法問題。第3節(jié)研究校準(zhǔn)。在第4、5節(jié)中，我們討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其應(yīng)用。第6節(jié)為總結(jié)。2 直接線性變換我們的校準(zhǔn)方法是基于實(shí)體坐標(biāo)的3D重建技術(shù)，這些實(shí)體正是通過直接線性代數(shù)變換方法，從攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)我們所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。假設(shè)兩個(gè)攝像頭觀察同一個(gè)對象，我們就可以分別用

6、，通過每臺攝像機(jī)i（i=1,2）的影像平面來表示實(shí)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(shí)體的觀測結(jié)果來確定直接線性變換的參數(shù)，這些實(shí)體的坐標(biāo)被稱為“控制點(diǎn)”。一旦直接線性變換的參數(shù)被識別，攝像機(jī)中的圖像將以的形式表現(xiàn)出所捕獲的實(shí)體3D重建坐標(biāo)。3 校準(zhǔn)方法3.1 校準(zhǔn)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(zhǔn)方法。通過圖1中所闡釋的兩臺攝像機(jī)，我們可以對機(jī)械手進(jìn)行標(biāo)記檢測，而通過這一檢測可以使兩個(gè)機(jī)械手的基本構(gòu)架得以校準(zhǔn)。我們在工作區(qū)內(nèi)測量一個(gè)有限體積，因?yàn)?/p>

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

8、機(jī)也對其上標(biāo)記的動(dòng)作進(jìn)行捕捉。成對的被抽樣標(biāo)記為控制點(diǎn)。4. 機(jī)械手之間的相互位置關(guān)系從和中計(jì)算得出。我們的方法的顯著特點(diǎn)：l 校準(zhǔn)程序基本是自動(dòng)化的。人工操作員只需放置好兩臺攝像機(jī)，不管他們在哪里都可以檢測這些標(biāo)記。l 攝像機(jī)的位置可以未知。因此我們可以隨機(jī)放置攝像頭的位置。l 可以獲得兩個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)構(gòu)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(zhǔn)在有限空間內(nèi)進(jìn)行（我們稱之為“校準(zhǔn)空間”）。只有在校準(zhǔn)空間周圍才能獲得可靠精度，在這一空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的操作。3.2 問題公式化我們將用公式來表達(dá)上述程序。兩個(gè)機(jī)器人手臂之間的校準(zhǔn)將用于計(jì)算一個(gè)仿射變換，這一變換可以將一個(gè)參考系

9、內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到如下的另一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)：式中，是機(jī)械手B在機(jī)械手A的坐標(biāo)系中的一組標(biāo)記的坐標(biāo)； 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(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)：由于提供了測量的位置，在等式（6）的右邊包含A的首項(xiàng)，表示機(jī)械手A的直接線性變換的校準(zhǔn)誤差。包含B的第二項(xiàng)，表示直接線性變換的誤差，以及機(jī)械手B的仿射變換。3.3 通過迭代法進(jìn)行參數(shù)識別等式（6）包含了待測量的34個(gè)參數(shù)：的11個(gè)參數(shù)，的11個(gè)參數(shù)，R的9個(gè)參數(shù)，以及p的3個(gè)參數(shù)。盡管這34個(gè)參數(shù)中有部分是多余的（因?yàn)镽有3個(gè)參數(shù)），但是所有的參數(shù)對于計(jì)算等式（6）而言都是就等價(jià)的。在如此高維度空間內(nèi)做最小化相當(dāng)耗時(shí)

10、，因此我們采用線性最小二乘法來進(jìn)行迭代。該程序如下：1. 最小化計(jì)算出f。由于等式對和是線性的，所以使用最小二乘法可計(jì)算出f的最優(yōu)值。2. 用定值f最小化，從而計(jì)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(jì)算出h的最優(yōu)值。3. 用定值h最小化J，從而計(jì)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(jì)算出f的最優(yōu)值。4. 如果J值收斂于一點(diǎn)，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(gè)通過微量估計(jì)達(dá)到足夠精度度的最佳方法。4 校準(zhǔn)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1 實(shí)驗(yàn)裝置我們建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，由兩套六自由度機(jī)械手和兩個(gè)由如圖

11、2所示的單色電荷耦合攝像機(jī)組成。每個(gè)機(jī)械手的手臂上都安裝了一個(gè)發(fā)光二極管，用來作為校準(zhǔn)的標(biāo)記。兩臺機(jī)械手都有的重復(fù)精度。每臺電荷耦合攝像機(jī)具有640*416的像素分辨率。 圖2 試驗(yàn)設(shè)備4.2 準(zhǔn)確度方面的結(jié)果當(dāng)一個(gè)新的機(jī)器人安裝好后，轉(zhuǎn)換的精度取決于我們的校準(zhǔn)方法。攝像機(jī)的布置說明詳見圖3。兩個(gè)機(jī)器人依次在校準(zhǔn)空間內(nèi)移動(dòng)。注意，攝像機(jī)應(yīng)放置在任何可以捕獲到發(fā)光二極管標(biāo)記的地方。 圖3：實(shí)驗(yàn)中的攝像機(jī)布置 （a）較大的校準(zhǔn)空間（200mm維度空間） （b）較小的校準(zhǔn)空間（100mm維度空間） 圖4：校準(zhǔn)精度兩個(gè)校準(zhǔn)空間被用于不同尺寸的維度內(nèi)：一個(gè)200mm的多維數(shù)據(jù)集和一個(gè)100mm的多維數(shù)據(jù)

12、集。這是為了審核空間大小對于標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響。發(fā)光二極管標(biāo)記的位置被抽樣作為控制點(diǎn)，分布在每個(gè)維度內(nèi)的2*2*2到5*5*5的坐標(biāo)格網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)。校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性可用以下的誤差指數(shù)來評估： （7） （8）通過校準(zhǔn)中測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出的和是“明顯的”校準(zhǔn)誤差。這就意味著，校準(zhǔn)誤差只有在校準(zhǔn)進(jìn)程內(nèi)用坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)才可以評估。然而，由于我們需要校準(zhǔn)空間內(nèi)的相等的內(nèi)插點(diǎn)，我們用 （9） （10）來求出大量點(diǎn)和點(diǎn)的值。因此，在機(jī)器人的實(shí)際操作中，和更接近誤差。在該實(shí)驗(yàn)中，我們用5*5*5的坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)中的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出和。注意，當(dāng)如圖4中的時(shí)，和就分別等于和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在狹小的校準(zhǔn)空間內(nèi)，校準(zhǔn)誤差

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

14、驗(yàn)以下方法將進(jìn)一步提高校準(zhǔn)精度：l 個(gè)體機(jī)器人的校準(zhǔn)（比如，它們的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的識別）；l 使用更多的各項(xiàng)同性標(biāo)記；l 使用更高分辨率的攝像機(jī)。5 自動(dòng)校準(zhǔn)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(gòu)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(zhǔn)方法，在裝配系統(tǒng)內(nèi)安裝一個(gè)新的機(jī)器人。一個(gè)新的機(jī)器人的插入過程應(yīng)當(dāng)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(gè)新的機(jī)器人。2. 如果允許，操作員將機(jī)器人放置到裝配單元內(nèi)。3. 機(jī)器人向所有的現(xiàn)有裝配機(jī)器人發(fā)布自己的信息，這些信息包括其活動(dòng)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(gè)現(xiàn)有機(jī)器人，有可能是新機(jī)器人的友鄰機(jī)器人，測量它與新的機(jī)器人之間操作的大體位置。5. 該新機(jī)器人和每一個(gè)友鄰候選機(jī)器人在大體的測量位置周圍執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)程序，該程序如前文第三節(jié)所述。6. 執(zhí)行完所有的校準(zhǔn)之后，新的機(jī)器人進(jìn)行裝配操作。以上所有的程序可以通過機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)來完成。插件程序完成后，包括新機(jī)器人在內(nèi)的所有機(jī)器人通過協(xié)調(diào)，分別進(jìn)行裝配。協(xié)調(diào)進(jìn)程具體細(xì)節(jié)見8。6 總結(jié)本文針對裝配系統(tǒng)的可重構(gòu)性，提出了一種自動(dòng)校準(zhǔn)的方法。兩個(gè)機(jī)器人基礎(chǔ)構(gòu)架之間的轉(zhuǎn)換由兩臺攝像機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，攝像機(jī)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(gè)機(jī)器人的基

16、礎(chǔ)構(gòu)建由兩臺攝像機(jī)以及機(jī)器人上的發(fā)光二極管標(biāo)記來校準(zhǔn)。l 攝像機(jī)定位和機(jī)器人定位使得校準(zhǔn)工作整體上得以實(shí)現(xiàn)。l 實(shí)驗(yàn)中的校準(zhǔn)誤差是0.2-0.6mm，與其他研究相比，該精度相對較高。l 校準(zhǔn)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(gè)程序，在插入與生產(chǎn)框架的裝配單元內(nèi)安裝一臺機(jī)器人。該方法將提高裝配系統(tǒng)的可重構(gòu)性。7 致謝該研究得到了國際研究項(xiàng)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(xiàng)目的所有成員致謝。8 參考文獻(xiàn)1科倫，Y.等.，1999，可重構(gòu)性制造系統(tǒng)，國際生產(chǎn)工程學(xué)會年報(bào)，48/2:527-540。2瓦肯尼斯，P.等，1995，柔性裝配

17、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，規(guī)劃及控制，工業(yè)計(jì)算機(jī)，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(xué)會年報(bào)，48/1:21-24。4玉木，K.等，1993，使用可移動(dòng)電荷耦合機(jī)器人的可重構(gòu)裝配中心，第24屆工業(yè)機(jī)器人基本理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)討論會論文集，119-126。5空斗，S.等，1998，環(huán)保類高級單元機(jī)器人的發(fā)展，國際生產(chǎn)工程學(xué)會年報(bào)，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(yīng)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(xué)會年報(bào)，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(jì)算機(jī)，46/3:289-299。9波尼茲，R.