New method and portable measurement device for the calibration of industrial robots

Icli, Caglar (2020). New method and portable measurement device for the calibration of industrial robots. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Throughout time, with robotic systems having a more significant impact each day in industrial processes, demand for rapid, repeatable and highly accurate robotic arms has increased, outgrowing the availability of robot calibration options. Even though research on robot calibration has been going on for a long time, implementing a fast, fully automated and affordable calibration system can be hard to find, considering the challenging requirements that a system could bring along with it.

This thesis presents an automated calibration method for industrial robots. It is based on the use of a novel, low-cost, wireless, 3D measuring device mounted on the robot end-effector and a portable 3D ball artifact fixed with respect to the robot base.

The new device, called TriCal, is essentially a fixture holding three digital indicators (plunger style) with an accuracy of 1.8 μm, the axes of which are orthogonal and intersect at one point, considered to be the robot tool center point (TCP). The artifact contains four 1-inch datum balls, each mounted on heavy-duty riser blocks through stems, and have precisely known relative positions measured on a CMM. The design of the artifact is decided through practical considerations and simulation tests applied through an offline simulation and robot programming software. The measurement procedure contains a physical constraining technique, where the TriCal is probing the datum balls. The method and procedure presented is fully automated and consists of the robot moving its end-effector in such as a way as to perfectly align its TCP with the center of each of the four datum balls, with multiple endeffector orientations.

The calibration method and hardware are tested on a six-axis industrial robot (KUKA KR6 R700 sixx). The Modified Denavit-Hartenberg method is used for modeling purposes and the calibration model includes all kinematic and joint stiffness parameters along with an additional parameter defining the relation between two parallel axes. These parameters are later identified using the least-squares method. The joint configurations for calibration are decided through an observability index calculation from an initially generated configuration pool. The efficiency of the new calibration system is validated by measuring the accuracy of the robot after calibration in 500 nearly random end-effector poses using a laser tracker. The same validation is performed after the robot was calibrated using measurements from the laser tracker only. Results show that both measurement methods lead to similar accuracy improvements, with the TriCal yielding maximum position errors of 0.624 mm, and mean position errors of 0.326 mm.

Titre traduit

Nouvelle méthode et appareil de mesure portable pour l’étalonnage des robots industriels

Résumé traduit

Au fil du temps, avec des systèmes robotiques ayant un plus grand impact dans les processus industriels, la demande de robots rapides, répétables et précis a augmenté, dépassant l’offre d’options de systèmes d’étalonnage de robots. Même si les recherches sur l’étalonnage des robots se poursuivent depuis longtemps, la mise en oeuvre d’un système d’étalonnage rapide, entièrement automatisé et en même temps abordable peut être un défi, considérant les exigences complexes qu’un système pourrait apporter avec lui.

Ce mémoire présente une méthode d’étalonnage automatisée pour les robots industriels, basée sur l’utilisation d’un nouvel appareil de mesure 3D, sans fil, à faible coût, monté sur l’effecteur du robot, et d’un artefact 3D de bille portable, fixé par rapport à la base du robot.

Le nouveau dispositif, appelé TriCal, est essentiellement un appareil contenant trois indicateurs numériques avec une précision absolue de 1,8 μm, dont les axes sont orthogonaux et s’intersectent en un point, considéré comme le point central de l’outil du robot (TCP). L’artefact contient quatre billes de référence, dont le diamètre est 1 pouce, avec des positions relatives précisément connues. La conception de l’artefact est décidée par des considérations pratiques et des tests de simulation appliqués via un logiciel de simulation et de programmation de robots hors ligne. La procédure de mesure contient une technique de contrainte physique telle que le TriCal sondant les billes de référence fixées sur l’artefact. La méthode et la procédure présentées sont entièrement automatisées et consistent en un déplacement par le robot de son effecteur terminal de manière à aligner parfaitement son TCP avec le centre de chacune des quatre billes de référence, avec des multiples orientations d’effecteur terminal.

La méthode d’étalonnage et le matériel ont été testés sur un robot industriel à six axes (KUKA KR6 R700 sixx). La méthode Denavit-Hartenberg modifiée est utilisée à des fins de modélisation et le modèle d’étalonnage comprend tous les paramètres cinématiques. L’ensemble de paramètre sont identifiés à l’aide de la méthode des moindres carrés. Les configurations communes pour l’étalonnage sont décidées par un calcul d’indice d’observabilité à partir d’un bassin de configuration initialement généré. L’efficacité du nouveau système d’étalonnage a été validée en mesurant la précision du robot après l’étalonnage dans 500 poses presque aléatoires à l’aide d’un laser tracker. La même validation a été effectuée après l’étalonnage du robot en utilisant uniquement les mesures du laser tracker. Les résultats montrent que les deux méthodes de mesure conduisent à des améliorations de précision similaires, le TriCal produisant des erreurs de position maximales de 0,624 mm et des erreurs de position moyennes de 0,326 mm.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in automated manufacturing engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 73-79).
Mots-clés libres:	précision, l’étalonnage du robot, précision du robot, étalonnage autonome, étalonnage en boucle fermée, auto-étalonnage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bonev, Ilian
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	14 juin 2021 17:47
Dernière modification:	14 juin 2021 17:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2669

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