隨著人類海洋活動(dòng)的深入，越來越多的機(jī)器人被應(yīng)用到海洋領(lǐng)域，機(jī)器人性能直接決定其可執(zhí)行任務(wù)類型。機(jī)器人位姿重復(fù)性是評(píng)價(jià)機(jī)器人性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，研究位姿重復(fù)性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、性能提升以及工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。近日，天津大學(xué)海洋學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人學(xué)頂級(jí)期刊《Mechanism and Machine Theory》（SCI 1區(qū)Top）上發(fā)表一篇題為“evaluation and prediction method of robot pose repeatability based on statistical distance”的研究論文。本文第一作者為海洋學(xué)院2021級(jí)碩士研究生張相鵬，通訊作者為海洋學(xué)院田文杰副教授。
圖2全域重復(fù)性預(yù)測(cè)流程圖
圖3實(shí)驗(yàn)示意圖
目前，基于歐氏距離的機(jī)器人末端重復(fù)度評(píng)價(jià)方法應(yīng)用最為廣泛，并制定了ISO標(biāo)準(zhǔn)。該類評(píng)價(jià)方法雖然在一定程度上能夠反映機(jī)器人末端重復(fù)性信息，但也存在如下不足：（1）忽視了重復(fù)性的各向異性；（2）忽視了誤差分量間的耦合性；（3）忽視了誤差量綱的不一致性。而機(jī)器人位姿重復(fù)性預(yù)測(cè)方法的現(xiàn)有研究根據(jù)不確定誤差源的類型主要分為三類：模糊集法、區(qū)間分析法以及概率法，模糊集法和區(qū)間分析法對(duì)運(yùn)算過程要求極為嚴(yán)格，且不關(guān)心位姿重復(fù)性的具體分布；概率法雖然考慮了位姿重復(fù)性的分布特征，但目前通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不確定誤差預(yù)測(cè)全域重復(fù)性的方法，存在測(cè)量手段少、測(cè)量效率低的缺點(diǎn)，且該類方法忽略了結(jié)構(gòu)誤差參數(shù)的不確定性，無法描述閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)各關(guān)節(jié)不確定性的耦合作用，因此預(yù)測(cè)精度難于滿足工程需求。
針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)距離的機(jī)器人重復(fù)度評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方法。該評(píng)價(jià)方法的基本特征為：（1）模型所描述的機(jī)器人重復(fù)性信息大幅增加；（2）現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法是本方法的一個(gè)特例，可以評(píng)價(jià)任意方向上的重復(fù)性。預(yù)測(cè)方法的基本特征為：（1）將機(jī)器人末端重復(fù)性看成由驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)等效重復(fù)誤差導(dǎo)致，并將后者看成是隨位形變化的函數(shù)；（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)取真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的名義值；（3）基于工作空間若干點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量信息，預(yù)測(cè)全域的重復(fù)性信息?；谠擃A(yù)測(cè)模型，文章以Stewart平臺(tái)為例開展了建模、檢測(cè)、辨識(shí)以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法在辨識(shí)位形以及其他位形均具有較好的補(bǔ)償效果。此外，還分析了機(jī)器人在全域的重復(fù)性分布特征，為提升整體的重復(fù)定位精度以及工作空間的選取提供參考。
該研究的理論與工程價(jià)值在于：（1）能夠精確的評(píng)價(jià)機(jī)器人的在不同方向上的重復(fù)定位性能。（2）基于機(jī)器人末端若干點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)就能預(yù)測(cè)機(jī)器人工作空間全域的重復(fù)定位信息。（3）無需建立復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)的幾何誤差模型，可大幅簡(jiǎn)化位姿重復(fù)性預(yù)測(cè)流程，且對(duì)其他構(gòu)型的機(jī)器人也適用。（4）在工程上，可以利用機(jī)器人位姿重復(fù)性的全域分布規(guī)律，合理規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑和作業(yè)空間，以充分發(fā)揮其精度能力。
圖1重復(fù)性橢球及其特征信息.(a)不同置信度下橢球半長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度和方向示意圖.(b)數(shù)據(jù)點(diǎn)落入不同置信度橢球的概率圖
圖2全域重復(fù)性預(yù)測(cè)流程圖
圖3實(shí)驗(yàn)示意圖
近年來，田文杰老師團(tuán)隊(duì)致力于海洋探測(cè)技術(shù)和機(jī)器人學(xué)相關(guān)研究，研究成果在Robotics and Computer-Integrated Manufacturing、Mechanism and Machine Theory、Ocean Engineering、Measurement等國(guó)際高水平期刊發(fā)表。課題組畢業(yè)生5人，在讀碩士生5人，學(xué)生多次獲研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽三等獎(jiǎng)、天津市特等獎(jiǎng)、校級(jí)二等獎(jiǎng)，中國(guó)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽優(yōu)秀獎(jiǎng)，天津大學(xué)三好學(xué)生，天津大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生干部等榮譽(yù)獎(jiǎng)項(xiàng)，畢業(yè)生前往國(guó)防科技創(chuàng)新研究院、中船重工等重點(diǎn)單位工作或繼續(xù)讀博深造。同時(shí)，本人也被評(píng)為天津大學(xué)第十五屆“我心目中的十佳好導(dǎo)師”榮譽(yù)稱號(hào)。
