《计测技术》推荐文章｜中国计量大学罗哉教授团队：六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析

计量测控
2025-07-30 11:35:00

导读

近期，中国计量大学罗哉教授团队江文松副教授研究了校准误差对六自由度机器人末端定位精度的非线性影响，开展了机器人末端位姿校准误差链路分析。研究成果为机器人末端精准定位控制提供技术参考。

六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析

作者：江文松¹，王妍¹，罗哉^1*，冯思琪¹，杨力^1*，张鹏浩²

作者单位：1.中国计量大学计量测试与仪器学院；2.中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所

摘要：为研究校准误差对机器人末端定位精度的非线性影响，开展六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析。采用修正的DH模型（Modified Denavit⁃Hartenberg Model， MDH）约束条件建立六自由度机器人的运动学参数模型，分析末端位姿变换的空间几何特征关系；分析机器人校准误差的来源，得到测量系统各坐标系之间的函数关系，构建机器人末端位姿校准误差传递链路模型。搭建六自由度机器人校准系统开展实验，结果表明：机器人末端校准误差主要来源包括连杆长度误差、关节偏移误差、关节扭转角误差和零位误差等，合成后的校准误差为2.66 mm；机器人末端x、y、z方向的相对不确定度分别为0.09%、0.37%、0.46%。研究成果为机器人末端精准定位控制提供了技术参考。

关键词：几何量计量；机器人；末端定位；校准；误差链路分析

文章主要内容

本文建立了六自由度机器人几何参数误差模型，分析了机器人各轴运动学参数校准误差影响因素，研究了机器人最小二乘参数估计偏离对模型应用效果的影响机制。利用AR5机器人开展实验，测量机器人不同位形下的末端位姿数据，计算得到各轴的运动学参数，并评定机器人末端位置不确定度。选取机器人关节角度［27.631°，52.012°，-53.035°，-175.681°，66.936°，3.158°］作为研究位形，激光跟踪仪测得该位形的末端位置坐标为［748.650 mm，325.837 mm，330.842 mm］。

不同维度的机器人末端位置分布如图1所示，横坐标为末端位置分布范围，纵坐标为该范围内观测值的出现频次。通过图1（b）可以观察到，末端位置的y轴分布近似高斯分布，随着分布值向两侧偏离，频次逐渐减少，说明末端位置在极端高或低的频次出现的概率较低。

图5　不同维度的机器人末端位置分布图

Fig.5 End⁃effector position distribution diagram for the manipulator in different dimensions

结合链式模型进行计算，得到不同LM参数的机器人末端位置分布如图2所示，横坐标表示不同LM参数对应的末端位置分布范围，纵坐标表示该范围内对应值的出现频次。

对比不同维度和不同LM参数对机器人末端定位精度的影响并进行分析，结果表明：不同维度对机器人末端位姿的误差影响较为显著，末端位置在x、y、z轴方向的误差分布分别为［619.814 mm，777.347 mm］、［212.606 mm，447.587 mm］、［272.571 mm，355.895 mm］，末端位置在x、y、z轴方向的平均值分别为［698.127 mm，329.872 mm，314.108 mm］。

图6　不同LM参数的机器人末端位置分布图

Fig.6 End⁃effector position distribution diagram for the manipulator under various LM parameters

通过蒙特卡洛法模拟误差分布情况，得到机器人在x、y、z方向上的误差分布情况，在此基础上进行机器人末端位置的不确定度评定。

结论

实验结果表明：在工作空间内完成校准后，机器人x、y、z轴方向的位置标准不确定度分别为0.28 mm、0.49 mm、0.61 mm。研究成果为机器人高精度路径规划和轨迹跟踪技术的发展提供了有力支撑。

作者简介

江文松（1988－），男，副教授，博士，主要研究方向为飞机结构健康监测、反问题建模及优化、动态校准。

罗哉（1979－），男，教授，博士，主要研究方向为汽车零部件检测精密测试技术、视觉与激光测量、定位导航与建图、数字化三维成像。

杨力（1979－），男，副教授，博士，主要研究方向为机器学习（深度学习）、虚拟现实与数字孪生、计算机视觉、机器人。

科研团队介绍

中国计量大学“跨尺度几何量测量技术及仪器”登峰学科团队

团队负责人：罗哉（教授）

主要成员：江文松（副教授），杨力（教授），崔长彩（教授），程银宝（副教授），何亚雄（讲师），卞点（助理研究员），李亚茹（助理研究员），王妍（博士研究生）。

研究方向：无人系统建模与智能化，三维测量与数字化技术，半导体器件测试技术。

科研成果：主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、浙江省重点研发计划项目、浙江省自然科学基金、国家市场监管总局科研项目等多项，获国家市场监管总局科技成果二等奖、四川省科技进步二等奖、浙江省科技进步三等奖等省部级奖项多项，研制了汽车制动执行部件智能测试装备、电子水泵智能测试生产线、机器人化智能测试仪等原理样机。

全文链接

六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析（点击查看）

引用格式：江文松，王妍，罗哉，等. 六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析［J］.计测技术，2025，45（2）： 48-55.

Citation：JIANG W S， WANG Y， LUO Z， et al. Analysis of calibration error propagation in the kinematic chain of a six⁃DOF robotic manipulator's end⁃effector pose［J］. Metrology & Measurement Technology， 2025， 45（2）： 48-55.

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