Введение
Процесс, используемый для повышения точности роботов. Калибровка роботов – это процесс, используемый для повышения точности роботов, особенно промышленных роботов, которые обладают высокой повторяемостью, но не абсолютной точностью. Калибровка роботов – это процесс определения определенных параметров в кинематической структуре промышленного робота, таких как относительное положение звеньев робота. В зависимости от типа моделируемых ошибок, калибровку можно классифицировать тремя различными способами. Калибровка 1-го уровня моделирует только различия между фактическими и заявленными значениями перемещения суставов (также известную как обнуление). Калибровка 2-го уровня, также известная как кинематическая калибровка, охватывает полную геометрическую калибровку робота, включающую угловые смещения и длины звеньев. Калибровка 3-го уровня, также называемая некинематической калибровкой, моделирует ошибки, не связанные с геометрическими дефектами, такие как жесткость, податливость суставов и трение. Часто калибровки 1-го и 2-го уровней достаточно для большинства практических задач. Параметрическая калибровка роботов – 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 – массы звеньев и суставов, а также внутреннее трение. Непараметрическая калибровка робота обходит идентификацию параметров. При использовании с последовательными роботами она основана на прямой компенсации отображенных ошибок в рабочем пространстве. При использовании с параллельными роботами непараметрическая калибровка может быть выполнена путем преобразования пространства конфигураций. 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, то есть реальное положение рабочего органа робота лучше соответствует положению, рассчитанному на основе математической модели робота. Абсолютная точность позиционирования особенно важна в контексте взаимозаменяемости роботов и автономного программирования прецизионных приложений. Помимо калибровки робота, калибровка его инструментов и деталей, с которыми он работает (так называемая калибровка ячейки), может минимизировать возникающие неточности и повысить безопасность процесса.
Robot calibration is a process used to improve the accuracy of robots, particularly industrial robots which are highly repeatable but not accurate. Robot calibration is the process of identifying certain parameters in the kinematic structure of an industrial robot, such as the relative position of robot links. Depending on the type of errors modeled, the calibration can be classified in three different ways. Level 1 calibration only models differences between actual and reported joint displacement values, (also known as mastering). Level 2 calibration, also known as kinematic calibration, concerns the entire geometric robot calibration which includes angle offsets and joint lengths. Level 3 calibration, also called a non kinematic calibration, models errors other than geometric defaults such as stiffness, joint compliance, and friction. Often Level 1 and Level 2 calibration are sufficient for most practical needs. Parametric robot calibration is the process of determining the actual values of kinematic and dynamic parameters of an industrial robot (IR). Kinematic parameters describe the relative position and orientation of links and joints in the robot while the dynamic parameters describe arm and joint masses and internal friction. Non parametric robot calibration circumvents the parameter identification. Used with serial robots, it is based on the direct compensation of mapped errors in the workspace. Used with parallel robots, non parametric calibration can be performed by the transformation of the configuration space. Robot calibration can remarkably improve the accuracy of robots programmed offline. A calibrated robot has a higher absolute as well as relative positioning accuracy compared to an uncalibrated one; i. e., the real position of the robot end effector corresponds better to the position calculated from the mathematical model of the robot. Absolute positioning accuracy is particularly relevant in connection with robot exchangeability and off line programming of precision applications. Besides the calibration of the robot, the calibration of its tools and the workpieces it works with (the so called cell calibration) can minimize occurring inaccuracies and improve process security.
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 критериями, а также наиболее часто используемыми, являются точность позиционирования (AP) и повторяемость позиционирования (RP). Повторяемость особенно важна при перемещении робота в ручном режиме к заданным точкам ("Teach In"). Если программа робота генерируется с помощью 3D-симуляции (автономное программирование), то также критически важна абсолютная точность. Оба показателя, как правило, негативно влияют кинематические факторы, в частности смещения в шарнирах и отклонения в длинах и углах между звеньями робота.
Системы измерений
Существуют различные способы измерения позы промышленных роботов, например, контакт с эталонными деталями, использование ультразвуковых датчиков расстояния, лазерной интерферометрии, теодолитов, штангенциркулей или лазерной триангуляции. Кроме того, существуют камеры, которые могут быть установлены в рабочей зоне робота или на монтажную пластину инструмента и определять позу эталонного объекта. Системы измерений и калибровки производятся такими компаниями, как Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Cognibotics, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult и Automated Precision.
Математические принципы
Ошибки робота, полученные на основе измерений положения и ориентации, могут быть минимизированы с помощью численной оптимизации. Для кинематической калибровки необходимо разработать полную кинематическую модель геометрической структуры, параметры которой затем могут быть вычислены методом математической оптимизации. Типичное поведение системы может быть описано векторной модельной функцией, а также входными и выходными векторами (см. рисунок). Переменные k, l, m, n и их производные описывают размерности соответствующих векторных пространств. Минимизация остаточной ошибки r для идентификации оптимального вектора параметров p основана на разности между двумя выходными векторами, вычисленной с использованием евклидовой нормы. Для решения задач кинематической оптимизации удобно использовать методы наименьших квадратов, например, модифицированный квазиньютоновский метод. Данная процедура позволяет получить скорректированные кинематические параметры для измеряемой машины, которые затем могут быть использованы, например, для обновления системных переменных в контроллере с целью адаптации используемой модели робота к его реальной кинематике.
Результаты
Точность позиционирования промышленных роботов варьируется в зависимости от производителя, возраста и типа робота. С помощью кинематической калибровки эти ошибки можно уменьшить до менее чем одного миллиметра в большинстве случаев. Пример этого показан на рисунке справа. Точность 6-осевых промышленных роботов можно улучшить в 10 раз. Точность параллельных роботов после калибровки может достигать одной десятой миллиметра.
Образец заявки
В промышленности наблюдается общая тенденция к замене станков и специальных машин промышленными роботами для определенных производственных задач, к которым предъявляемые требования к точности могут быть удовлетворены калиброванными роботами. Благодаря моделированию и автономному программированию стало возможным легко выполнять сложные задачи программирования, такие как роботизированная обработка. Однако, в отличие от метода обучения, требуется высокая точность и повторяемость. На рисунке показан актуальный пример: встроенный контроль в автомобильном производстве, где традиционный "измерительный туннель", используемый для 100%-ного контроля с множеством дорогостоящих датчиков, частично заменен промышленными роботами, каждый из которых оснащен всего одним датчиком. Это позволяет значительно снизить общую стоимость измерительной ячейки. Станцию можно повторно использовать после смены модели путем простого перепрограммирования без механической переналадки. Другие примеры высокоточных применений включают роботизированный подгиб кромок при производстве кузовов автомобилей, сборку мобильных телефонов, сверление, клепку и фрезерование в аэрокосмической промышленности, а также все более широкое применение в медицине.