Калибровка робота - Robot calibration

Калибровка робота это процесс, используемый для повышения точности роботов, особенно промышленных роботов, которые имеют высокую повторяемость, но не точны. Калибровка робота - это процесс определения определенных параметров кинематической структуры промышленного робота, таких как относительное положение звеньев робота. В зависимости от типа моделируемых ошибок калибровку можно классифицировать тремя различными способами. Калибровка уровня 1 моделирует только различия между фактическими и заявленными значениями смещения суставов (также известное как освоение). Калибровка уровня 2, также известная как кинематическая калибровка, касается всей геометрической калибровки робота, которая включает угловые смещения и длины суставов. Калибровка уровня 3, также называемая некинематической калибровкой, моделирует ошибки, отличные от геометрических параметров по умолчанию, такие как жесткость, податливость сустава и трение. Часто калибровки Уровня 1 и Уровня 2 достаточно для большинства практических нужд.^[1]^[2]

Параметрическая калибровка робота это процесс определения фактических значений кинематический и динамичный параметры промышленный робот (ИК). Кинематические параметры описывают относительное положение и ориентацию звеньев и шарниров в роботе, а динамические параметры описывают массы рук и шарниров, а также внутреннее трение.^[3]

Непараметрическая калибровка робота обходит идентификацию параметра. Используемый с серийными роботами, он основан на прямой компенсации обнаруженных ошибок в рабочем пространстве. При использовании параллельных роботов непараметрическая калибровка может выполняться путем преобразования конфигурационного пространства.

Калибровка роботов может значительно повысить точность роботов запрограммирован в автономном режиме. Калиброванный робот имеет более высокую абсолютную, а также относительную точность позиционирования по сравнению с некалиброванным роботом; т.е. реальное положение робота рабочий орган лучше соответствует положению, вычисленному по математической модели робота. Абсолютная точность позиционирования особенно важна в связи с возможностью замены роботов и программированием точных приложений в автономном режиме. Помимо калибровки робота, калибровка его инструментов и деталей, с которыми он работает (так называемая калибровка ячейки) может свести к минимуму возникающие неточности и повысить безопасность процесса.

Критерии точности и источники ошибок

Международный стандарт ISO 9283^[4] устанавливает различные критерии производительности для промышленных роботов и предлагает процедуры тестирования для получения соответствующих значений параметров. Наиболее важными и наиболее часто используемыми критериями являются точность позы (AP) и повторяемость позы (RP). Повторяемость особенно важна, когда робот перемещается к командным позициям вручную («Обучение»). Если программа робота создана с помощью 3D-моделирования (автономное программирование), абсолютная точность тоже важна. Оба обычно подвергаются негативному влиянию кинематических факторов. Здесь особенно важны смещения шарниров, а также отклонения по длине и углам между отдельными звеньями робота.

Системы измерения

Существуют различные возможности измерения позы с помощью промышленных роботов, например касание эталонных деталей с использованием сверхзвуковых датчиков расстояния, лазерной интерферометрии, теодолитов, штангенциркуля или лазерной триангуляции. Кроме того, существуют системы камер, которые можно прикрепить к камере робота или к монтажной плате для ИК-подсветки и получить позу эталонного объекта. Системы измерения и калибровки производятся такими компаниями, как Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult.^[5] и Automated Precision, Inc ..

Математические принципы

Целевая функция и задача оптимизации

Ошибки робота, полученные при измерении позы, можно минимизировать, численная оптимизация. За кинематический При калибровке необходимо разработать полную кинематическую модель геометрической структуры, параметры которой затем можно будет рассчитать путем математической оптимизации. Общее поведение системы можно описать с помощью функции векторной модели, а также векторов ввода и вывода (см. Рисунок). к, л, м, п и их производные описывают размерности одиночных векторных пространств. Минимизация остаточной ошибки р для определения оптимального вектора параметров п следует из разницы между обоими выходными векторами с использованием евклидовой нормы.

Для решения задач кинематической оптимизации удобны методы спуска наименьших квадратов, например модифицированный квазиньютоновский метод. Эта процедура предоставляет скорректированные кинематические параметры для измеряемой машины, которые затем, например, можно использовать для обновления системных переменных в контроллере, чтобы адаптировать используемую модель робота к реальной кинематике.^[6]

Полученные результаты

Точность позиционирования робота Tricept до и после калибровки

Точность позиционирования промышленных роботов зависит от производителя, возраста и типа робота. С помощью кинематической калибровки эти ошибки в большинстве случаев можно уменьшить до менее миллиметра. Пример этого показан на рисунке справа.

Точность 6-осевых промышленных роботов можно повысить в 10 раз.^[7]

Точность параллельных роботов после калибровки может составлять всего десятые доли миллиметра.

Примеры приложений

Встроенная измерительная ячейка для осмотра кузова автомобиля

В отрасли существует общая тенденция к замене станков и специальных машин промышленными роботами для выполнения определенных производственных задач, требования к точности которых могут быть выполнены с помощью калиброванных роботов. С помощью моделирования и автономного программирования можно легко выполнять сложные задачи программирования, например, обработку роботом. Однако, в отличие от метода программирования обучения, требуется хорошая точность, а также повторяемость.

На рисунке показан текущий пример: поточные измерения в автомобилестроении, где общий «измерительный туннель», используемый для 100% -ного контроля со многими дорогими датчиками, частично заменен промышленными роботами, каждый из которых имеет только один датчик. Таким образом можно значительно снизить общие затраты на измерительную ячейку. Станцию также можно повторно использовать после смены модели путем простого перепрограммирования без механической адаптации.

Другими примерами прецизионных приложений являются роботизированная обработка кромок в производстве кузовов автомобилей, сборка мобильных телефонов, сверление, клепка и фрезерование в аэрокосмической промышленности и, во все большей степени, в медицине.

Смотрите также

Проблема калибровки глаза

Литература

Тагиев, Н .; Ализаде, Р .: Анализ прямого и обратного смещения для параллельного манипулятора с 6 степенями свободы. В: Mech. Мах. Теория, Vol. 29, No. 1, London 1994, pp. 115–124.
Тревельян, Дж. П .: Калибровка роботов с фильтром Калмана. Презентация на Международной конференции по передовой робототехнике и компьютерному зрению (ICARCV96), Сингапур, 1996 г.
N.N .: ISO 9283 - Управление промышленными роботами. Критерии эффективности и соответствующие методы испытаний. ISO, Женева, 1998 г.
Beyer, L .; Вульфсберг, Дж .: Практическая калибровка роботов с помощью ROSY. В: Robotica, Vol. 22, Кембридж 2004, стр. 505–512.
Я. Чжан и Ф. Гао, «Калибровочный тест платформы Стюарта», Международная конференция IEEE по сетям, зондированию и управлению, 2007 г., IEEE, 2007, стр. 297–301.
А. Нубиола, И.А. Бонев, "Абсолютная калибровка робота ABB IRB 1600 с помощью лазерного трекера", Робототехника и компьютерно-интегрированное производство, Vol. 29 № 1, 2013, с. 236–245.
Готтлиб, Дж .: Непараметрическая калибровка платформы Стюарта. В: Материалы семинара 2014 г. по фундаментальным вопросам и направлениям будущих исследований параллельных механизмов и манипуляторов, 7–8 июля 2014 г., Тяньцзинь, Китай.
Ноф, Шимон Ю. Справочник по промышленной робототехнике (глава 5, раздел 9). Vol. 1. Джон Уайли и сыновья, 1999.