CNS 14782-2003 Manipulating industrial robots Test equipment and metrology methods of operation for robot performance evaluation《工业用机器人性能评估作业之测试仪器与量测方法》.pdf

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1、 1 印月 94 10 月 本標準非經本局同意得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 號 ICS 25.040.30 B8020 14782 經濟部標準檢驗局印 公布日期 修訂公布日期 月日 92 11 月 27 日 工業用機器人性能評 估作業之測試儀器與量測方法 (共 21 頁)Manipulating industrial robots Test equipment and metrology methods of operation for robot performance evaluation 目 1.適用範圍 .1 2. 種 1 3. 機器人性能測法之極限 1 4. 機器人性能測法

2、 2 考 . 16 2 CNS 14782, B 8020 1. 適用範圍：本標準提供最先進測試設備之操作原則及其應用於 CNS 14491工業用機器人性能準則與相關試驗法之相關建議。 2. 種類：目前符合 CNS 14491 關於機器人性能評估之方法可分類如下： (1) 探頭定位量測法。 (2) 路徑比較法。 (3) 三邊定位法。 (4) 極坐標量測法。 (5) 三角定位法。 (6) 慣性量測法。 (7) 坐標量測法。 (8) 路徑繪圖法。 3. 機器人性能量測法之極限：表 1 列出符合 CNS 14491 評估機器人性能之方法，第2 節中之 8 種量測方法再被細分為 16 種測法，表中亦列

3、出每一種方法之功能及限制。雖然有些方法可以同時量測姿勢及路徑，但有些方法有其應用上之限制，其中部分之限制為 : (1) 只能量測姿勢之位置 (或方位 )。 (2) 只能量測有限命令路徑之路徑特徵 (直線或圓弧 )。 (3) 只能量測超越量有一定限制之機器人。 (4) 測試儀器之性能對於部分量測，可能產生較低之準確度或是不確定之結果。 (5) 量測受到測試設備自由度之限制。 (6) 與 CNS 14491 所指定之立方體相比，測試設備可提供之量測空間可能較小。 (7) 測試設備之抽樣頻率可能無法與所量測機器人運動之最高頻率匹配。 表 2 列出這些方法及其典型量測性能。 4. 機器人性能量測法 4

4、.1 探頭定位量測法：本方法利用探頭去觸碰定位裝置，或非觸碰的與其保持適當距離，以量測機器人姿勢，其配置如圖 1 所示。探頭可由數個位移或近接感測器所構成，探頭與定位裝置之型式如圖 2 所示。使用時可視需要將數種型式之定位裝置與探頭合併使用。 3 CNS 14782, B 8020圖 1 探頭定位量測法 圖 2 探頭定位量測法之定位裝置 4.2 路徑比較法 4.2.1 機械量規比較法：本方法藉由比較一命令路徑及到達路徑之差別來量測機器人之路徑 (包括精確度及重複性 )。命令路徑係由精密之機械量規或可做定位基準結構所組成，其配置如圖 3 所示。其中近接感測器被裝置於一方形探頭上，而定位裝置則以一

5、條直的稜線來代表命令路徑。使用足夠之感測器時，可量測到姿勢之整體誤差，包含位置及方位。 立方形探頭 (中空 ) 定 位 裝 探 頭 範 例 觸碰式 非觸碰式 固定在機器人上 4 CNS 14782, B 8020 圖 3 機械量規比較法 4.2.2 雷射光束路徑比較法：本方法利用雷射光束量測機器人之路徑，其配置如圖 4 所示。沿一雷射光束路徑運動之準確度與重複性可由一感光轉換器來量測。此裝置能夠從轉換器中心偵測到雷射光束位置之誤差。若以雷射干涉儀取代雷射光源而感光轉換器具有光反射能力者，則可計算出沿雷射光束運動時機器人之姿勢如一時間函數。 圖 4 雷射光束路徑比較法 機械量規 近接感測器 橫效

6、應光二極體 雷射 5 CNS 14782, B 80204.3 三邊定位法：本方法利用一點 P 與三個觀測站之距離，以及觀測站相互間之距離來決定點 P 在三度空間之 (x ,y,z)坐標，圖 5 以兩度空間之示意圖來說明這個原則。 圖 5 三邊定位法之量測原則 (二維示意圖 ) 4.3.1 多雷射追蹤干涉儀法：本方法藉由兩軸伺服控制之三個干涉儀所發出之三條雷射光束，去追蹤一置於機器人手腕之目標物，以量測其位置。其配置如圖 6 所示。使用六個干涉儀之六條雷射光束，去追蹤機器人上面之三個獨立目標物時，則可決定機器人之方位。 圖 6 雷射追蹤干涉儀法 追蹤干涉儀 逆反射鏡 6 CNS 14782,

7、B 8020 4.3.2 超音波三邊定位法：本方法藉由超音波及三邊定位法來量測機器人之位置，其配置如圖 7 所示。若機器人上面架有三個獨立聲源，且每個麥克風皆能從三個聲源接收到脈衝波時，則此方法可量測機器人之方位。 圖 7 超音波三邊定位法 4.3.3 機械式纜線三邊定位法：本方法藉由機械式纜線及三邊定位法來量測機器人之位置，其配置如圖 8 所示。在纜線供應裝置使纜線保持一定張力，並使用電位計或解碼器衡量每條纜線之長度，即可確定機器人端點之位置。 圖 8 機械式纜線三邊定位法 超音波產生器 麥纜線 纜線供給裝置解碼器 7 CNS 14782, B 80204.4 極坐標量測法：本方法利用極坐標

8、原理量測距離 D、方位角 及仰角 之值以決定一個點之 (x ,y,z)坐標，如圖 9 所示。 圖 9 三維極坐標量測法之原則 4.4.1 單雷射追蹤干涉儀法：本方法利用雷射干涉儀及極坐標量測法，來量測機器人之位置或方位，圖 10 所示為單雷射追蹤干涉儀用來量測位置之一般配置圖。由雷射干涉儀所獲得之距離及固定追蹤系統與逆反射鏡所得之方位角及仰角之值，可量測出機器人之位置。 圖 10 位置量測用之單雷射追蹤干涉儀 逆反射鏡 雷射干涉儀 8 CNS 14782, B 8020 若逆反射鏡系統可使其光軸對準雷射干涉儀之固定追蹤系統，或者是固定追蹤系統可分析自逆反射鏡所傳回之繞射影像，則此系統可測量機器

9、人之方位，如圖 11 所示。 圖 11 姿勢量測用之單雷射追蹤干涉儀 4.4.2 單一全功能系統量測法 (靜態 /追蹤 )：本方法利用一靜態全功能系統 (可量測距離、方位角及仰角 )以量測機器人之位置。此系統如具有追蹤機器人運動路徑者，則可量測路徑上之位置，其配置如圖 12 所示。 圖 12 單一全功能系統量測法 (追蹤功能 ) 逆反射鏡 雷射干涉儀 逆反射鏡 9 CNS 14782, B 80204.4.3 直線尺規量測法：本方法利用一直線尺規及解碼器來量測距離、方位及仰角，來表示以時間函數來量測機器人之位置。其配置如圖 13 所示。此方法中直線尺規之上端連接到機器人，以量測其與解碼器上直線

10、尺規支撐點間之距離。直線尺規之方位角及仰角之值可由水平方向及直立方向之解碼器得到。 圖 13 直線尺規量測法 4.5 三角定位法：本方法利用兩基準點 B1、 B2 所量測到之兩組方位角及仰角以決定一點在三度空間之 (x,y,z)坐標。 圖 14 三角定位法之量測原則 直線尺規 解碼基線長度 10 CNS 14782, B 8020 4.5.1 光學追蹤三角定位法：本方法藉由一對兩軸之光學追蹤系統，配合三角定位法以時間函數之形式決定機器人之位置。此方法適用於靜態與動態之量測。圖 15、 16、 17 所示為三種被廣泛使用光 學追蹤三角定位法之配置圖。 (1) 雷射追蹤三角定位法：圖 15 中之系

11、統由兩個雷射掃描器及一逆反射鏡組成。兩束雷射光持續的瞄準在機器人末端之逆反射鏡上。 (2) 雷射掃瞄三角定位法：圖 16 中之系統由三個雷射掃描器及一個雷射偵測器所組成。機器人上之雷射偵測器可偵測到三個掃描器所發出之線狀投影光束。其中兩個掃描器發出垂直光束，而第三個則發出水平光束。 (3) 環狀 CCD 與雷射追蹤三角定位法：圖 17 中之系統由兩個雷射掃描器及兩個 CCD 環狀感測器所組成。雷射光束呈交叉狀。兩個 CCD 環狀感測器必須置於探頭之兩相鄰表面。此方法可量測機器人之方位。 圖 15 雷射追蹤三角定位法 圖 16 雷射掃瞄三角定位法 逆反射鏡 雷射掃描器雷射偵測器 線狀投影掃描器

12、1 掃描器 2 掃描器 3 11 CNS 14782, B 8020圖 17 環狀 CCD 與雷射追蹤三角定位法 4.5.2 經緯儀量測法：此方法利用一組可發射光束之經緯儀，配合三角定位法以量測機器人之位置。固定之經緯儀使其發出之光束能瞄準固定在機器人末端之目標物，由所獲所得之兩組方位角及仰角之值可以決定出機器人之位置，其配置如圖 18 所示。若機器人上有多個目標點，則可測得機器人之方位。手動經緯儀只能做靜態量測。 圖 18 經緯儀量測方法環狀 CCD 感測器 交叉雷射光束 經緯儀 12 CNS 14782, B 8020 4.5.3 光學照相量測法：本方法利用兩個光學照相系統配合三角定位法以

13、量測機器人位置之時間函數，其配置如圖 19 所示。影像裝置如可偵測機器人上之多光源或多目標物時，亦可量測出機器人方位之時間函數。在量測過程中，機器人上之多光源循序的被打開以確定影像是從那一光源發出。 照相機監視固定在機器人末端之發光目標物。位置感測裝置 (或 CCD)用來決定在照相機坐標系統中目標物之位置。 圖 19 光學照相測量法 4.6 慣性量測法：本方法利用機器人上之三個伺服加速感測器及三個機器人姿勢及路徑，包含位置及方位。其配置如圖光源(主動或被動) 光學照相機迴轉儀，量測20 所示。 圖 20 慣性量測法 三個加速 感測器及三個迴轉儀 13 CNS 14782, B 80204.7

14、坐標量測法 (卡氏坐標 ) 4.7.1 二維數位量測法 (1) 本方法利用機器人上之高解析度照相機來量測機器人之二維位置，並以X-Y， Y-Z 或 Z-X 坐標表示，其配置如圖 21 所示。照相機可以計算出測試平板上之刻度線數目。 圖 21 二維數位量測法 (一 ) (2) 本方法利用次微米解析度之干涉量測原理以量測機器人在平面侷限區域之位置，其配置如圖 22 所示。經由掃瞄頭在交叉格子板上所取得之莫耳 (Moires)圖型並經過分析後可得到在二維空間上之增量值。 (3) 本方法利用機器人上之數位筆與測試平板以量測機器人之 X-Y、 Y-Z 或Z-X 坐標值，其配置如圖 23 所示。此方法可用

15、於靜態與動態之量測。 圖 22 二維數位量測法 (二 ) 高解析度照相機高解析度/高精度之刻度線掃瞄頭交叉格子平面 網格細部 14 CNS 14782, B 8020 圖 23 二維數位量測法 (三 ) 4.7.2 坐標量測儀法：本方法利用坐標量測儀，量測機器人上一目標點之坐標值以決定機器人到達之位置，其配置如圖 24 所示。藉由碰觸一立方體上之三個點或更多點，所取得之坐標值可決定機器人之方位。 圖 24 坐標量測儀法 4.8 路徑繪圖法：本方法利用機械式、電子式或噴墨筆將機器人之二維路徑紀錄在紙上。圖 25 中之紀錄紙為傳真機用之電子放電紙。若加上可產生時間脈衝波之裝置，則可進一步偵測機器人

16、之速度。 數位筆 平板 坐標量測儀 15 CNS 14782, B 8020圖 25 路徑繪圖法 電子筆 時間記號產生器 16 CNS 14782, B 8020 路 徑 速 度 之 特 性 迴 轉 差 異 路 徑 重 現 性 路 徑 準 確 度 靜 態 順 從 性 最 小 定 姿 時 間 姿 勢 特 性 之 漂 移 姿 勢 超 越 量 姿 勢 穩 定 時 間 距 離 重 現 性 距 離 準 確 度 多 方 向 姿 勢 準 確 度 之 變 量 姿 勢 重 現 性 姿 勢 準 確 度 性 能 特 性立方形物體 球狀物體 4.2.1機械度量計比較法 4.2.2雷射光位置比較法 4.3.1多雷射追蹤

17、干涉儀法 4.3.2超音波三邊定位法 4.3.3機械纜線三邊定位法 4.4.1單雷射追蹤干涉法 4.4.2單一全功能系統量測法 4.4.3線性量規法 4.5.1光學追蹤三角定位法 4.5.2經緯儀量測法 4.5.3光學攝影量測法 4.7.1二維數位量測法 4.7.2坐標量測儀法 ：表示系統具有校準本身量測系統及機器人之能力。基準坐標系統之能力。此亦表示這些系統能量測姿勢及路徑之絕對及相對準確度 ：這些系統只能量測姿勢或路徑之相對準確度 ：此方法能測試機器人之平均性能 ：以此方法測試性能時有應用上的限制（見第3節） ：此方法不適合量測 各種量測方法之性能見表2 量測方法4.1探頭定位量測法 4.

18、2路徑比較法 4.3三邊定位法 4.4極坐標量測法 4.5三角定位法 4.6慣性量測法 4.7坐標量測法(卡氏坐標)4.8路徑繪圖法 表1機器人性能特徵之量測方法 17 CNS 14782, B 8020路徑量測採樣點不適用0.01 ms/point10-100 ms/point100-1000 ms/point0.5 ms/point0.01-500 ms/point500-3000 ms/point1 ms/point不適用0.2-4 ms/point3 ms/point10-100 ms/point不適用最大路徑速度不適用10 m/s6 m/s5 m/s6 m/s1 m/s2-10 m/

19、s不適用10 m/s5 m/s0.5-3 m/s不適用量測特性只有靜態動態動態動態動態動態只有靜態動態動態動態只有靜態動態準確度0.002-0.02mm 0.005-0.01mm 0.4-3mm 0.3mm 0.005-0.05mm 0.51mm 10 arc-second 0.5-0.2 arc-second,1mm 0.01-0.75%of field of view0.03mm 0.1-0.5mm 0.01mm 0.2-0.5mm 重現性0.001-0.01mm 0.1-1%of f ieldof view0.05-0.2mm 0.02mm 2m 0.2-1mm 0.02mm 0.005

20、-0.02mm 3mm 10 arc-second 0.1mm 5 arc-second 0.52 arc-second 0001-0.05%of field of view0.01mm 0.02-0.2mm 5m 儀 器特性解析度0.01-1m 0.05%of field of view0.025-0.1mm 3m 0.16m 0.05-1mm 0.01mm 0.6-5m 02m 5arc-second 0.02mm 2 arc-second 0.015%0.1-0.2 arc-second 0.0005-0.025%of field of view5m 0.01-0.02mm 0.5m 0

21、.2mm 量 測法4.1探頭定位探測法4.2.1機械量規比較法4.2.2雷射光束路徑比較法4.3.1多雷射追蹤干涉儀法4.3.2超音波三邊定位法4.3.3機械式纜線三邊定位法4.4.1單雷射追蹤干涉儀法4.4.2單一全功能系統量測法4.4.3直線尺規量測法4.5.1光學追蹤三角定位法4.5.2經緯儀量測法4.5.3光學照相量測法4.6慣性量測法4.7.1二維數位量測法4.7.2坐標量測儀法4.8路徑繪圖法表2 表1中量測方法之典型量測性能備考：（1）此表中列出之數據是以製造廠商之額定規格為基礎，因此使用時應與製造廠商確認各種性能及應用上之限制。 （2）大多數關於準確度及重複性之數據是假設各種單

22、獨量測裝置均被仔細的安裝，且在整個量測過程中，整個量測系統尺寸之 穩定性很好的狀況下所得到之結果。 （3）1arc-sec=1/3600度。 18 CNS 14782, B 8020 引用標準： CNS 14491 工業用機器人性能準則與相關試驗法 相關國際標準： ISO/TR 13309： 1995 Manipulating industrial robots - Informative guide on test equipment and metrology methods of op-eration for robot performance evaluation in accor-d

23、ance with ISO 9283 19 CNS 14782, B 8020參考 1. 關鍵詞：性能評估，機器人，測試儀器。 2. 中英名詞對照表： 中文名詞 英文名詞 節次 二維數位量測法 two-dimensional digitizing method 4.7.1 三角定位法 triangulation method 2, 4.5 干涉量測原理 interferential measuring principle 4.7.1 干涉影像 diffracted image 4.4.1 方位 orientation 3, 4 方位角 azimuth 4.4, 4.5 卡氏坐標 Cartesi

24、an coordinates 4.3, 4.7 仰角 elevation 4.4, 4.5 光軸 optical axis 4.4.1 光學追蹤三角定位法 optical tracking triangulation methods 4.5.1 光學追蹤系統 optical tracking system 4.5.1 多雷射追蹤干涉儀法 multi-laser tracking interferometry 4.3.1 次微米解析度 sub-micrometer resolution 4.7.1 位置 position 3, 4位置感測裝置 position sensing device 4.

25、5.3 伺服加速感測器 servo acceleration 4.6 抽樣頻率 sampling frequency 3 姿勢 pose 3, 4.1, 4.4.2,4.6 指定路徑 command path 3 坐標量測法 coordinate measuring method 4.7 坐標量測機器法 coordinate measuring machine method 2 時間脈衝 timing pulse 4.8 逆反射鏡 retroreflector mirror 4.4.1 迴轉儀 gyroscope 4.6 探頭 probe 4.1, 4.2.1 探頭定位量測法 position

26、ing test probe method 2, 4.1 掃描器 scanner 4.5.1 單一全功能系統量測法 single total station method-tracking 4.4.2 單雷射追蹤干涉儀法 single laser tracking interferometry 4.4.1 立方體 test cube 3 超音波三邊定位法 ultrasonic trilateration 4.3.2 超越量 Overshoot 3 20 CNS 14782, B 8020 中文名詞 英文名詞 節次 感光轉換器 Photosensitive transducer 4.2.2 極坐

27、標量測法 Polar coordinate measuring method 2, 4.4 準確度 Accuracy 3, 4.2.2 經緯儀 Theodolite 4.5.2 經緯儀量測法 teodolite method 4.5.2 解析度 Resolution 4.7.1 解碼器 Encoder 4.3.3, 4.4.3 路徑 Path 3, 4.4.2, 4.8 路徑比較法 path comparison method 2, 4.2 路徑繪圖法 path drawing method 2, 4.8 電子放電紙 electric discharge paper 4.8 影像裝置 imag

28、ing device 4.5.3 數位筆 digitizing pen 4.7.1 直線尺規法 linear scale method 4.4.3 線狀投影光束 line-projected light 4.5.1 機械量規比較法 mechanical gage comparison method 4.2.1 3. 英中名詞對照表： 英文名詞 中文名詞 節次 accuracy 準確度 3, 4.2.2 azimuth 方位角 4.4, 4.5 Cartesian coordinates 卡氏坐標 4.3, 4.7 command path 指定路徑 3 coordinate measuring

29、 machine method 坐標量測機器法 2 coordinate measuring method 坐標量測法 4.7 diffracted image 干涉影像 4.4.1 digitizing pen 數位筆 4.7.1 electric discharge paper 電子放電紙 4.8 elevation 仰角 4.4 , 4.5 encoder 解碼器 4.3.3, 4.4.3 gyroscope 迴轉儀 4.6 imaging device 影像裝置 4.5.3 interferential measuring principle 干涉量測原理 4.7.1 linear s

30、cale method 直線尺規法 4.4.3 line-projected light 線狀投影光束 4.5.1 mechanical gage comparison method 機械量規比較法 4.2.1 21 CNS 14782, B 8020英文名詞 中文名詞 節次 multi-laser tracking interferometry 多雷射追蹤干涉儀法 4.3.1 optical axis 光軸 4.4.1 optical tracking system 光學追蹤系統 4.5.1 optical tracking triangulation methods 光學追蹤三角定位法 4

31、.5.1 orientation 方位 3, 4 overshoot 超越量 3 path 路徑 3, 4.4.2, 4.8 path comparison method 路徑比較法 2, 4.2 path drawing method 路徑繪圖法 2, 4.8 photosensitive transducer 感光轉換器 4.2.2 polar coordinate measuring method 極坐標量測法 2, 4.4 pose 姿勢 3, 4.1, 4.4.2,4.6 position 位置 3, 4 position sensing device 位置感測裝置 4.5.3 po

32、sitioning test probe method 探頭定位量測法 2, 4.1 probe 探頭 4.1, 4.2.1 resolution 解析度 4.7.1 retroreflector mirror 逆反射鏡 4.4.1 sampling frequency 抽樣頻率 3 scanner 掃描器 4.5.1 servo acceleration 伺服加速感測器 4.6 single laser tracking interferometry 單雷射追蹤干涉儀法 4.4.1 single total station method-tracking 單一全功能系統量測法 4.4.2 sub-micrometer resolution 次微米解析度 4.7.1 teodolite method 經緯儀量測法 4.5.2 test cube 立方體 3 theodolite 經緯儀 4.5.2 timing pulse 時間脈衝 4.8 triangulation method 三角定位法 2, 4.5 two-dimensional digitizing method 二維數位量測法 4.7.1 ultrasonic trilateration 超音波三邊定位法 4.3.2