Contribution to improving the accuracy of serial robots

Nubiola, Albert (2014). Contribution to improving the accuracy of serial robots. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The goal of the present study is to improve the accuracy of six-revolute industrial robots using calibration methods. These methods identify the values of the calibrated robot model to improve the correspondence between the real robot and the mathematical model used in its controller. The calibrated robot model adds error parameters to the nominal model, which correspond to the geometric errors of the robot as well as the stiffness behavior of the robot.

The developed methods focus on using low cost measurement equipment. For instance, the first work makes a comparison between a robot calibration performed using a laser tracker and a stereo camera (MMT optique) separately. The accuracy performance is validated using a telescoping ballbar for each of the two methods. While the calibration result is the same for both methods, the price of a laser tracker is more than twice the price of a stereo camera. The method is tested using an ABB IRB120 robot, a Faro ION laser tracker, and a Creaform CTrack stereo camera to calibrate the robot. A Renishaw QC20-W ballbar is used to validate the accuracy.

A novel measurement system to measure a set of poses is described in the second work. The device is an extension of a known approach using an hexapod (a Stewart-Gough platform). One fixture is attached to the robot base and the other to the robot end-effector, each having three magnetic cups. By taking six ballbar measurements at a time, it is possible to measure 144 poses of the triangular fixture attached to the robot end-effector with respect to the base fixture. The position accuracy of the device is 3.2 times the accuracy of the QC20-W ballbar: ± 0.003 mm. An absolute robot calibration using this novel 6D measurement system is performed in the third work of this thesis. The robot is calibrated in 61 configurations and the absolute position accuracy of the robot after calibration is validated with a Faro laser tracker in about 10,000 robot configurations. The mean distance error is improved from 1.062 mm to 0.400 mm in 50 million pairs of measurements throughout the complete robot workspace. To allow a comparison, the robot is also calibrated using the laser tracker and the robot accuracy validated in the same 10,000 robot configurations.

Titre traduit

Contribution à l'amélioration de la précision des robots sériels

Résumé traduit

Le but de la présente étude est de contribuer à l’amélioration de la précision absolue des robots manipulateurs sériels à six degrés de liberté. Ces méthodes consistent à identifier les valeurs des paramètres du robot, en vue d’améliorer la correspondance entre le robot réel et le modèle mathématique utilisé par son contrôleur. Le modèle du robot étalonné ajoute des paramètres d’erreur au modèle nominal; ces paramètres correspondent aux erreurs géométriques et au comportement élastique du robot.

Les méthodes développées se concentrent sur les systèmes de mesure à faible coût. Le premier travail fait une comparaison entre un étalonnage robot fait avec un laser de poursuite (« laser tracker ») et une caméra stéréo (MMT optique). L’amélioration de la précision est validée en utilisant une barre à billes pour chacune des deux méthodes d’étalonnage. Le résultat de l’étalonnage est le même pour les deux méthodes tandis que le prix d’un laser de poursuite est plus que deux fois le prix d’une caméra stéréo. La méthode est validée avec un robot ABB IRB 120, un laser de poursuite Faro ION, et une caméra stéréo C-Track de Creaform. Une barre à billes Renishaw QC20-W permet de valider la précision obtenue de manière indépendante.

Un système de mesure innovateur qui permet de mesurer un ensemble de poses est décrit à la deuxième partie de la thèse. Ce dispositif est basé sur une approche d’hexapode connu (la plateforme Stewart-Gough). Une plaque doit s’attacher à la base du robot et une autre à l’outil; chaque plaque contient trois supports magnétiques. Ce système permet de mesurer 144 poses de l’outil par rapport au support de la base en prenant six mesures de la barre à billes pour chaque pose. La précision tridimensionnelle de ce dispositif est 3.2 fois la précision de la barre à billes QC20-W, soit ± 0.003 mm. Dans la troisième partie de cette thèse, on utilise ce nouvel système de mesure 6D pour faire un étalonnage absolue d’un robot. Le robot est étalonné dans 61 configurations et la précision de positionnement absolue est validée avec un laser de poursuite Faro dans environ 10,000 configurations de robot. L’erreur de distance moyenne est améliorée de 1.062 mm à 0.400 mm dans 50 millions de pairs de mesures dans tout l’espace de travail du robot. A titre comparatif, le robot est aussi étalonné avec un laser de poursuite et la précision est validée dans les mêmes 10,000 configurations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 117-125.
Mots-clés libres:	Robots industriels Étalonnage. Optimisation mathématique. Lasers. Caméras. poursuite, série, sériel, stéréo, étalonnage de robots, robots sériels, précision absolue
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bonev, Ilian
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 mars 2015 20:44
Dernière modification:	14 mars 2017 00:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1432

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