Калибровка робота

Калибровка роботов — 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, например взаимного расположения 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 мастеринг). Калибровка уровня 2, также известная как кинематическая калибровка, касается всей геометрической калибровки робота, которая включает угловые смещения и длины соединений. Калибровка уровня 3, также называемая некинематической калибровкой, моделирует ошибки, отличные от геометрических значений по умолчанию, такие как жесткость, податливость суставов и трение. Часто калибровки уровня 1 и уровня 2 достаточно для большинства практических нужд.

Параметрическая калибровка робота – это процесс определения фактических значений кинематических и динамических параметров промышленного робота (ПР). Кинематические параметры описывают относительное положение и ориентацию звеньев и суставов робота, а динамические параметры описывают массы рук и суставов, а также внутреннее трение.

Непараметрическая калибровка робота обходит идентификацию параметров. Используемый с серийными роботами, он основан на прямой компенсации отображаемых ошибок в рабочей области. При использовании параллельных роботов непараметрическая калибровка может выполняться путем преобразования пространства конфигурации.

Калибровка роботов может значительно повысить точность роботов, запрограммированных в автономном режиме . Калиброванный робот имеет более высокую абсолютную и относительную точность позиционирования по сравнению с некалиброванным; т.е. реальное положение рабочего органа робота лучше соответствует положению, рассчитанному на основе математической модели робота. Абсолютная точность позиционирования особенно важна в связи со сменой роботов и автономным программированием точных приложений. Помимо калибровки робота, калибровка его инструментов и заготовок, с которыми он работает (так называемая калибровка ячейки ), позволяет минимизировать возникающие неточности и повысить безопасность процесса.

Критерии точности и источники ошибок

Международный стандарт ISO 9283. устанавливает различные критерии производительности для промышленных роботов и предлагает процедуры испытаний 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 создается путем трехмерного моделирования ( автономное программирование ), абсолютная точность также имеет жизненно важное значение. На оба обычно негативно влияют кинематические факторы. Здесь особенно влияют смещения суставов и отклонения по длине и углам между отдельными звеньями робота.

Системы измерения

Существуют различные возможности измерения положения с помощью промышленных роботов, например, касание эталонных деталей, использование сверхзвуковых датчиков расстояния, лазерной интерферометрии, теодолитов, штангенциркулей или лазерной триангуляции. Кроме того, существуют системы камер, которые можно прикрепить к камере робота или к ИК-монтажной пластине и принять позу эталонного объекта. Системы измерения и калибровки производятся такими компаниями, как Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Cognibotics, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult. и автоматизированная точность.

Математические принципы

Целевая функция и задача оптимизации

Ошибки робота, полученные при измерении позы, можно свести к минимуму с помощью численной оптимизации . Для кинематической калибровки необходимо разработать полную кинематическую модель геометрической конструкции, параметры которой затем можно рассчитать путем математической оптимизации. Общее поведение системы можно описать с помощью функции векторной модели, а также входных и выходных векторов (см. рисунок).Переменные k, l, m, n и их производные описывают размерности отдельных векторных пространств. Минимизация остаточной ошибки r для определения оптимального вектора параметров p следует из разницы между обоими выходными векторами с использованием евклидовой нормы.

Для решения задач кинематической оптимизации удобны методы спуска наименьших квадратов, например модифицированный метод квазиньютона. Эта процедура предоставляет скорректированные кинематические параметры измеряемой машины, которые затем можно использовать, например, для обновления системных переменных в контроллере для адаптации используемой модели робота к реальной кинематике.

Результаты

Точность позиционирования робота Tricept до и после калибровки

Точность позиционирования промышленных роботов зависит от производителя, возраста и типа робота. Используя кинематическую калибровку, эти ошибки в большинстве случаев можно уменьшить до уровня менее миллиметра. Пример этого показан на рисунке справа.

Точность 6-осевых промышленных роботов может быть повышена в 10 раз.

Точность параллельных роботов после калибровки может составлять всего лишь десятую долю миллиметра.

Примеры приложений

Линейная измерительная ячейка для проверки кузова автомобиля

В промышленности наблюдается общая тенденция к замене станков и специальных машин промышленными роботами для выполнения определенных производственных задач, требования к точности которых могут быть выполнены калиброванными роботами. Благодаря моделированию и автономному программированию можно легко решать сложные задачи программирования, например, роботизированную обработку. Однако, в отличие от метода обучения программированию, требуется хорошая точность и повторяемость.

На рисунке показан текущий пример: поточные измерения в автомобилестроении, где обычный «измерительный туннель», используемый для 100% контроля со множеством дорогих датчиков, частично заменен промышленными роботами, имеющими только один датчик. Таким образом, общие затраты на измерительную ячейку могут быть значительно снижены. Станцию ​​также можно повторно использовать после смены модели путем простого перепрограммирования без механических доработок.

Другими примерами прецизионных применений являются кромка с помощью робота при производстве кузовов автомобилей, сборка мобильных телефонов, сверление, клепка и фрезерование в аэрокосмической промышленности и, все чаще, в медицине.

См. также

• Проблема с калибровкой ручного глаза

Литература

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