ROBOT INDUSTRY
在制造業(yè)智能化升級的浪潮中，工業(yè)機(jī)器人正面臨精密加工、半導(dǎo)體封裝等高精尖領(lǐng)域?qū)撩准壎ㄎ痪鹊膰?yán)苛挑戰(zhàn)。針對傳統(tǒng)機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)存在模型靈敏度不足、參數(shù)辨識效率低等行業(yè)痛點，深圳市華成工業(yè)控制股份有限公司創(chuàng)新推出“基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定技術(shù)”，該技術(shù)在華為光總線項目、騰訊數(shù)字孿生等項目中成功應(yīng)用。
控制系統(tǒng)是機(jī)器人的“大腦”，決定了機(jī)器人的智能化水平和執(zhí)行任務(wù)的精度。為此，深圳市華成工業(yè)控制股份有限公司（以下簡稱“華成工控”）提出一種“基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定技術(shù)”，可以有效提升機(jī)器人的運動控制精度，更好地應(yīng)對工業(yè)自動化帶來的挑戰(zhàn)。
華成工控是國內(nèi)具有代表性和權(quán)威性的控制系統(tǒng)開發(fā)商，向市場持續(xù)輸出創(chuàng)新技術(shù)和先進(jìn)產(chǎn)品，“基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定技術(shù)”就是其中之一。2025年4月24—26日，華成工控將亮相“機(jī)器人全產(chǎn)業(yè)鏈接會”（FAIR plus 2025）（展位號H8N38），與產(chǎn)業(yè)鏈上下游匯聚一堂，開啟合作共贏的新篇章。
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引言
在制造業(yè)高端化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型的浪潮中，工業(yè)機(jī)器人作為核心生產(chǎn)裝備，其定位精度成為影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。華成工控聚焦這一痛點，開展 “基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定方法” 項目研究，致力于突破機(jī)器人精度提升的技術(shù)瓶頸，為產(chǎn)業(yè)升級注入強(qiáng)勁動力。本文將深入剖析該項目的技術(shù)原理、創(chuàng)新成果、應(yīng)用實踐及行業(yè)影響，探尋其在工業(yè)機(jī)器人精度提升領(lǐng)域的關(guān)鍵價值與發(fā)展?jié)摿Α?/strong>
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工業(yè)機(jī)器人精度需求與現(xiàn)狀剖析
2.1 高精度定位的重要性
在電子信息、新能源、高性能醫(yī)療器械等前沿制造領(lǐng)域，產(chǎn)品制造工藝對精度的要求近乎嚴(yán)苛。以高精度工件打磨為例，微小的定位偏差可能導(dǎo)致工件表面粗糙度不達(dá)標(biāo)，影響產(chǎn)品外觀與性能；精密點膠環(huán)節(jié)中，點膠位置的誤差會使電子產(chǎn)品的電氣連接不穩(wěn)定，降低良品率。工業(yè)機(jī)器人高精度定位是確保產(chǎn)品質(zhì)量一致性、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的核心要素，直接關(guān)乎企業(yè)在高端制造市場的競爭力。
2.2 現(xiàn)有精度水平的局限
當(dāng)前，在高精度作業(yè)場景下，人工與半自動化生產(chǎn)方式仍占據(jù)主導(dǎo)。人工操作受限于人體疲勞、技能差異等因素，難以保證穩(wěn)定的高精度作業(yè)；半自動化設(shè)備雖部分提高了生產(chǎn)效率，但在定位精度上仍存在較大提升空間。工業(yè)機(jī)器人因裝配、制造過程引入的運動學(xué)誤差，致使絕對定位精度難以滿足高端制造需求，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵短板。
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華成工控項目核心技術(shù)解析
3.1 運動學(xué)辨識模型創(chuàng)新
基于串聯(lián)多連桿運動學(xué)理論，華成工控研究團(tuán)隊構(gòu)建基礎(chǔ)DH模型，通過齊次變換矩陣描述基坐標(biāo)系到末端的位姿關(guān)系。深入剖析發(fā)現(xiàn)DH模型存在參數(shù)奇異性和易變形問題，微小偏差可能引發(fā)參數(shù)突變，影響模型準(zhǔn)確性。為解決這一難題，團(tuán)隊創(chuàng)新提出MDH模型，優(yōu)化模型參數(shù)，確保運動學(xué)參數(shù)的完備性，降低模型對微小偏差的敏感性，為后續(xù)精確標(biāo)定奠定堅實基礎(chǔ)。
同時，團(tuán)隊聚焦 “機(jī)器人完備運動學(xué)參數(shù)” 關(guān)鍵技術(shù)，建立最小參數(shù)集模型。通過合理篩選和精簡運動學(xué)參數(shù)，在不損失關(guān)鍵信息的前提下，大幅降低運動學(xué)辨識的復(fù)雜度，提高參數(shù)辨識效率與準(zhǔn)確性，使機(jī)器人運動學(xué)模型更加簡潔高效。
圖1 建立機(jī)器人完備運動學(xué)參數(shù)
3.2 誤差模型深度研究
結(jié)合運動學(xué)模型與微分變換法，華成工控推導(dǎo)出雅可比矩陣，并據(jù)此建立多種適用于機(jī)器人標(biāo)定的誤差模型。位置誤差模型用于分析運動學(xué)參數(shù)誤差導(dǎo)致的微分?jǐn)z動，直觀反映參數(shù)變化對機(jī)器人末端位置的影響；相對距離誤差模型針對單機(jī)器人誤差標(biāo)定場景，能夠精準(zhǔn)測量機(jī)器人各關(guān)節(jié)間相對距離的誤差；距離平方誤差模型則有效消除機(jī)器人運動學(xué)標(biāo)定中的模型奇異問題，確保標(biāo)定過程的穩(wěn)定性和可靠性；基于牛頓迭代識別的距離和距離平方差最小約束模型，以兩點間距離最小為約束條件構(gòu)建運動學(xué)方程，進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)定精度。
通過對比分析不同誤差模型的特點與適用場景，團(tuán)隊精準(zhǔn)提取出最適合機(jī)器人標(biāo)定的誤差模型，為實現(xiàn)高精度標(biāo)定提供了有力的理論支撐。在實際應(yīng)用中，根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境、精度要求等因素，靈活選擇合適的誤差模型，能夠顯著提升標(biāo)定效果。
圖2 分析誤差模型的適應(yīng)性
3.3 運動學(xué)參數(shù)誤差分析
全面剖析運動學(xué)參數(shù)誤差來源，涵蓋溫度、摩擦、外部環(huán)境等外部因素，以及桿長、偏角、零位誤差等內(nèi)部因素。針對各關(guān)節(jié)零位偏差、扭角偏差、桿長和偏距等參數(shù)，開展敏感性分析，繪制誤差分布曲線。研究發(fā)現(xiàn)，部分關(guān)節(jié)零位偏差對機(jī)器人末端位置誤差影響較大，在標(biāo)定過程中需重點關(guān)注和修正；桿長和偏距的微小變化也會累積導(dǎo)致顯著的定位誤差。通過精準(zhǔn)確定對運動學(xué)誤差產(chǎn)生主要影響的參數(shù)，為優(yōu)化標(biāo)定策略、提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)精度提供了關(guān)鍵依據(jù)。
在實際操作中，根據(jù)誤差分布曲線，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行重點監(jiān)測和調(diào)整，能夠有效降低誤差積累，提升機(jī)器人整體精度。
圖3 研究運動學(xué)參數(shù)誤差主要來源
3.4 參數(shù)辨識方法優(yōu)化
對多種參數(shù)辨識方法進(jìn)行深入研究，對比可迭代最小二乘法、遺傳算法、模擬退火算法等的優(yōu)劣，分析其對辨識結(jié)果的影響。最終選擇可迭代最小二乘法，并結(jié)合項目需求進(jìn)行優(yōu)化。該方法通過對采集數(shù)據(jù)的多次迭代計算，逐步逼近真實參數(shù)值，有效提高了參數(shù)辨識的準(zhǔn)確度。同時，團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出基于自適應(yīng)遺傳算法的測量點位生成方法，根據(jù)機(jī)器人運動學(xué)特點和標(biāo)定精度要求，智能生成最優(yōu)測量點位，大幅減少測量時間和工作量，提高標(biāo)定效率；構(gòu)建基于卡爾曼濾波的位置估算方法，對激光跟蹤儀采集的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，有效消除機(jī)械振動、環(huán)境噪聲等干擾因素導(dǎo)致的位置偏差，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；提出基于冗余參數(shù)剔除的運動學(xué)參數(shù)辨識方法，在降低擾動誤差的同時，提高參數(shù)辨識的準(zhǔn)確性和魯棒性，使機(jī)器人在復(fù)雜工況下仍能保持高精度運行。
圖4 研究不同辨識算法的補(bǔ)償效果
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華成工控研發(fā)實力與項目支撐
4.1 綜合實力強(qiáng)勁
華成工控是運動控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)和驅(qū)控一體領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。 自成立以來，華成工控專注于技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品創(chuàng)新，于2021年成功掛牌新三板，展現(xiàn)出強(qiáng)大的資本實力與發(fā)展?jié)摿Α?華成工控?fù)碛?0000平方米的現(xiàn)代化辦公場地，為研發(fā)、生產(chǎn)和運營提供了充足的空間。 員工近200人，其中研發(fā)人員占比近半數(shù)。 高素質(zhì)的研發(fā)團(tuán)隊為項目提供了堅實的智力支持，確保技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)推進(jìn)。
4.2 技術(shù)積累深厚
華成工控在工業(yè)控制領(lǐng)域深耕多年，積累了豐富的技術(shù)成果。在高精度伺服電批控制、高能量密度伺服驅(qū)動器設(shè)計、基于力觸的人機(jī)協(xié)作、基于激光儀的機(jī)器人參數(shù)標(biāo)定、基于機(jī)器視覺的快速識別定位、多軸驅(qū)控一體控制器設(shè)計、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)械臂未知環(huán)境自適應(yīng)軌跡規(guī)劃，以及基于力反饋的多關(guān)節(jié)機(jī)器人高速高精度運動控制等核心技術(shù)領(lǐng)域取得突破，并獲得多項CE認(rèn)證，涵蓋EC通用系列、機(jī)器人一體柜、伺服電批、低壓伺服產(chǎn)品等。截至目前，華成工控?fù)碛兄R產(chǎn)權(quán)近1000項。這些技術(shù)成果為 “基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定方法” 項目提供了堅實的技術(shù)儲備，促進(jìn)了項目的快速推進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新。
4.3 廣泛的應(yīng)用案例與合作
華成工控的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，機(jī)器人鎖附工作站、格力沖壓聯(lián)機(jī)生產(chǎn)場景、浙江朗成科技車床自動化等項目都取得顯著成效。此外，華成工控與華為、比亞迪、格力、騰訊等知名企業(yè)開展深度合作，參與華為光總線項目、騰訊云數(shù)字孿生項目等。通過與行業(yè)巨頭的合作，華成工控不僅能夠及時了解市場需求和行業(yè)發(fā)展趨勢，還能借助各方優(yōu)勢資源，加速項目成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，提升項目的市場價值和行業(yè)影響力。
在騰訊云數(shù)字孿生項目中，華成工控利用其先進(jìn)的機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)，為數(shù)字孿生模型提供高精度的機(jī)器人運動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實場景的高度匹配，提升了生產(chǎn)過程的可視化和智能化水平。
4.4 先進(jìn)的研發(fā)儀器與測試平臺
為確保項目研究的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，華成工控配備了先進(jìn)的研發(fā)儀器和測試平臺。FARO Vantage-E激光跟蹤儀作為核心測量設(shè)備，具備高精度、高速度的測量能力，能夠?qū)崟r獲取機(jī)器人末端的位置信息；視覺鎖附測試臺、碼垛測試臺、打磨測試臺、點膠測試臺等專業(yè)測試平臺，模擬不同的工業(yè)應(yīng)用場景，對機(jī)器人在實際作業(yè)中的性能進(jìn)行全面測試；EFT測試臺、溫濕度測試箱、靜電測試臺等輔助設(shè)備，用于測試機(jī)器人在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。這些先進(jìn)的儀器設(shè)備和測試平臺為項目研究提供了有力的技術(shù)支持，保障了研究成果的質(zhì)量和可靠性。
在標(biāo)定測試過程中，利用FARO Vantage-E激光跟蹤儀對機(jī)器人末端位置進(jìn)行高精度測量，結(jié)合測試平臺收集的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確分析機(jī)器人的運動學(xué)誤差，為標(biāo)定算法的優(yōu)化提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。
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項目預(yù)期成果與社會效益
5.1 顯著的技術(shù)指標(biāo)提升
項目致力于實現(xiàn)機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)的重大突破，預(yù)期標(biāo)定后絕對定位精度提高70%，大幅提升機(jī)器人在高精度作業(yè)場景中的應(yīng)用能力；標(biāo)定時間控制在20分鐘以內(nèi)，顯著提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備停機(jī)時間；實現(xiàn)標(biāo)定流程自動化，降低人工操作成本和誤差，提高標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。標(biāo)定完成后生成詳細(xì)的結(jié)果報告，為機(jī)器人后續(xù)維護(hù)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。
在實際應(yīng)用場景中，以某電子制造企業(yè)的精密點膠工序為例，采用華成工控的標(biāo)定技術(shù)后，點膠位置精度從原來的±0.1mm提升至±0.03mm，產(chǎn)品良品率從85%提高到95%以上，生產(chǎn)效率提高了30%，有效降低了生產(chǎn)成本。
5.2 豐富的學(xué)術(shù)成果產(chǎn)出
項目預(yù)期在知識產(chǎn)權(quán)方面取得豐碩成果，計劃申請知識產(chǎn)權(quán)不少于10項，其中發(fā)明專利不少于2項、實用新型專利不少于3項、軟件著作權(quán)不少于5項。這些知識產(chǎn)權(quán)成果不僅是項目技術(shù)創(chuàng)新的重要體現(xiàn)，還將為公司在機(jī)器人標(biāo)定領(lǐng)域構(gòu)筑堅實的技術(shù)壁壘，提升公司的核心競爭力。同時，項目研究過程中形成的技術(shù)論文和研究報告，將為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供理論參考和實踐經(jīng)驗，推動機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不斷向前發(fā)展。
5.3 積極的社會效益貢獻(xiàn)
作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的關(guān)鍵配套軟件，項目成果在一定程度上填補(bǔ)了機(jī)器人標(biāo)定軟件的空白，為下游本體廠商制造更精密的機(jī)器人提供有力技術(shù)支撐，促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體升級。項目實施過程中，預(yù)計新增就業(yè)人員不少于10人，其中培養(yǎng)工程師3名、技術(shù)人員5名、研究生2名。通過人才培養(yǎng)，為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液，提升行業(yè)整體技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，推動產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
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行業(yè)應(yīng)用前景與展望
6.1 拓展高端制造應(yīng)用邊界
隨著制造業(yè)向高端化邁進(jìn)，對工業(yè)機(jī)器人精度要求持續(xù)攀升。華成工控的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定技術(shù)為高端制造領(lǐng)域帶來了新的解決方案。在航空航天零部件加工中，高精度的機(jī)器人標(biāo)定能夠確保復(fù)雜曲面零件的加工精度，提高零部件的裝配精度和可靠性；在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，滿足芯片制造過程中對光刻、封裝等環(huán)節(jié)的超高精度定位需求，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)還可應(yīng)用于精密模具制造、醫(yī)療器械制造等行業(yè)，助力企業(yè)突破精度瓶頸，提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力，拓展工業(yè)機(jī)器人在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。
6.2 助力產(chǎn)業(yè)智能化升級
在工業(yè)4.0和智能制造的大背景下，機(jī)器人作為智能化生產(chǎn)的核心設(shè)備，其精度的提升對于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、自動化至關(guān)重要。華成工控的標(biāo)定技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)深度融合，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的自主感知、自主決策和自主調(diào)整。通過實時監(jiān)測機(jī)器人的運動狀態(tài)和誤差數(shù)據(jù)，利用人工智能算法進(jìn)行分析和預(yù)測，提前調(diào)整機(jī)器人參數(shù)，確保機(jī)器人始終保持高精度運行。這將極大地提高生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化水平，減少人工干預(yù)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動整個制造業(yè)向智能化、柔性化方向升級。
6.3 推動行業(yè)技術(shù)革新
華成工控的項目成果為機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域樹立了新的標(biāo)桿，其創(chuàng)新的技術(shù)方法和理念將激發(fā)行業(yè)內(nèi)其他企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新熱情。通過技術(shù)交流與合作，推動機(jī)器人運動學(xué)模型優(yōu)化、誤差補(bǔ)償算法改進(jìn)、測量設(shè)備升級等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展。行業(yè)內(nèi)將形成良性競爭和創(chuàng)新氛圍，促使更多企業(yè)加大研發(fā)投入，共同攻克機(jī)器人精度提升的技術(shù)難題，推動整個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的不斷革新和進(jìn)步。
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結(jié)論
華成工控 “基于激光跟蹤儀的機(jī)器人結(jié)構(gòu)標(biāo)定方法” 項目，憑借其在技術(shù)研發(fā)、項目實施、成果轉(zhuǎn)化等方面的卓越表現(xiàn)，為工業(yè)機(jī)器人精度提升提供了創(chuàng)新解決方案。項目成果不僅滿足了高端制造領(lǐng)域?qū)C(jī)器人高精度定位的迫切需求，還將推動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)智能化升級和技術(shù)革新，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，該項目有望在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮更為重要的作用，成為推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵力量，引領(lǐng)工業(yè)機(jī)器人精度提升技術(shù)邁向新的高度。
FAIR plus 2025是一場展示機(jī)器人開發(fā)技術(shù)的盛會，針對產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)定向邀約做實物展示的企業(yè)超150家。與華成工控相似，以控制系統(tǒng)為代表的核心零部件企業(yè)將匯聚一堂，交流切磋，為全球制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)中國智慧和中國方案。
本文刊登于《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)》2025年3月刊
作者：苗立曉 深圳市華成工業(yè)控制股份有限公司項目負(fù)責(zé)人
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