Metoda kalibracji narzędzi przyspiesza wdrożenie sześcioosiowych robotów przemysłowych

Teach-position – metoda kalibracji narzędzi używanych przez roboty o sześciu stopniach swobody (6DoF) – poprawia efektywność tych maszyn i usprawnia procesy przemysłowe.
W miarę jak roboty przemysłowe stają się coraz bardziej zaawansowane technicznie, zaczynają być wykorzystywane w większej niż dotąd liczbie przemysłowych procesów. Maszyny o sześciu stopniach swobody (6DoF) potrafią wykonywać złożone ruchy, co pozwala im na skuteczne podejmowanie wielu skomplikowanych zadań, takich jak paletyzacja, obsługa maszyn, klejenie czy spawanie. Robot sześcioosiowy potrafi podnosić duże ciężary i zręcznie nimi manipulować, precyzyjnie przenosząc je przy użyciu złożonej geometrii ruchu.
Ze względu na swoje wysokie parametry techniczne i elastyczność robotom 6DoF przydziela się rozmaite narzędzia pozwalające na realizację wielu zadań. Jednak za każdym razem, gdy ma być użyte nowe narzędzie, niezbędna jest jego precyzyjna kalibracja. Jest to procedura często czasochłonna i bywa niedokładna, co opóźnia realizację procesów przemysłowych, a nawet wstrzymuje produkcję.
Istnieje jednak skuteczna metoda kalibracji, zwana metodą teach-position („uczenie za pomocą położenia”). Stosując ją, da się szybko skalibrować narzędzie robota, bez wykorzystywania danych pomiarowych jego producenta czy czujników zewnętrznych. Sposób jest łatwy, dokładny i użyteczny w praktyce.
Kalibracja w robocie 6DoF
Aby wykonać przydzielone zadanie, sześcioosiowy robot porusza narzędziem, w które został do tego celu wyposażony. Podczas pracy musi znać jego położenie, a gdy montowane jest nowe narzędzie, trzeba je najpierw skalibrować.
Metody kalibracji w przypadku robotów sześcioosiowych obejmują:
-> kontakt z częściami referencyjnymi,
-> wykorzystywanie czujników odległości,
-> wykorzystywanie interferometrii laserowej.
Aby uzyskać precyzyjne położenie obiektu referencyjnego, można także wykonać kalibrację przy użyciu czujników zewnętrznych, takich jak systemy kamer mocowane w różnych lokalizacjach (w celi robota lub na nim samym). Wszystkie te metody mogą być jednak czasochłonne i skomplikowane.
Wyznaczanie punktu centralnego narzędzia

Kinematyczne metody kalibracji są używane do wyznaczenia punktu centralnego narzędzia (Tool Center Point – TCP) – w odniesieniu do tego punktu definiowane jest całe pozycjonowanie robota. TCP określa się w kartezjańskim układzie współrzędnych dla dowolnego punktu na świecie, który w odniesieniu do robota zawsze pozostaje stały (rys. 1).
Układ współrzędnych narzędzia definiuje jego położenie i orientację, zaś punkt zerowy znajduje się w punkcie TCP, który przemieszcza się do zaprogramowanych miejsc, gdy maszyna wykonuje ruch w układzie kartezjańskim. Zmiana narzędzia zmienia jego układ współrzędnych, wymagając ponownej kalibracji w celu wpisania do programu sterującego nowego punktu TCP i osiągnięcia celu.
W wielu aplikacjach robotów trajektorie ruchu punktu TCP reprezentują złożone ścieżki w przestrzeni roboczej tego urządzenia – zwykle są to linie proste z pewnymi zmianami orientacji narzędzia przez robota. Czasem sam robot może wymagać wymiany, ale za każdym razem, gdy zmieniane jest używane narzędzie, musi być wyznaczony nowy zbiór parametrów geometrycznych, zanim maszyna będzie mogła kontynuować pracę.
Dla większości aplikacji przemysłowych metoda teach-position stanowi praktyczny środek do budowania i pisania zadań dla robota. Muszą być jednak dostępne bardzo dokładne parametry narzędzia, zwykle pochodzące od jego producenta. Przesunięcia kątowe narzędzia i jego przesunięcie w układzie kartezjańskim są konieczne do generowania ścieżek prostoliniowych wraz ze sterowaniem orientacją narzędzia.
Często oczekuje się od operatora robota zidentyfikowania geometrii narzędzia, gdy brakuje np.:
-> danych producenta dotyczących wymiarów narzędzi;
-> dostępnego wsparcia sprzętowego;
-> informacji o sposobie montażu narzędzia na ramieniu robota.
Mierząc się z tymi problemami przy każdej zmianie narzędzia dla robota, operator musi realizować czasochłonne procedury kalibracji.

Wykorzystanie metody teach-position do dokładnej kalibracji
Metoda szybkiego i dokładnego oszacowania geometrii narzędzia nie wymaga zastosowania czujników zewnętrznych, kamer czy innych środków oraz demontażu narzędzia. Stosując teach-position, operator po prostu umieszcza punkt TCP robota sześcioosiowego w kilku różnych położeniach/orientacjach, które zostają automatycznie wprowadzone do algorytmów programowych szacowania wymiarów narzędzia. Algorytmy te szybko wykonują precyzyjną kalibrację i przygotowują narzędzie do użytku.
Dokładność tej metody jest tym większa, im więcej algorytmom szacującym dostarczy się danych wejściowych dotyczących położenia/orientacji narzędzia. Eksperymentalnie stwierdzono, że do uzyskania pożądanych wyników niekoniecznie prowadzi użycie metody odwrotnej macierzy jednorodnej. Wyniki, które prowadzą do precyzyjnej kalibracji, zapewnia za to zastosowanie metody najmniejszych kwadratów.
Testowanie teach-position

Testy tej metody wykonano przy użyciu robota 6DoF z zamontowanym narzędziem, sześciu serwonapędów o wysokich parametrach oraz sterownika. Teach-position obejmuje wykonanie obliczeń analitycznych – szacuje się wymiary X, Y, Z
oraz przyjmuje, że końcówka narzędzia znajduje się w stałym położeniu w kartezjańskim układzie współrzędnych.
Wszystkie konfiguracje robota, które wskazują na to samo położenie, muszą leżeć na sferze, w środku której znajduje się końcówka narzędzia (rys. 2). Wykonanie pomiarów położenia punktów, które leżą na tej sferze, umożliwia obliczenie położenia punktu TCP. 
Równanie 1:
R = (X  Xt) 2 + (Y  Yt) 2 + (Z  Zt)2
W równaniu tym występują cztery niewiadome (R, Xt, Yt, Zt), gdzie t oznacza punkt centralny. Wartości X, Y i Z są obliczane z kinematyki prostej. Aby osiągnąć akceptowalną dokładność, potrzeba co najmniej czterech punktów do zdefiniowania sfery.
A zatem cztery takie konfiguracje to:
R = (X1  Xt) + (Y1  Yt) + (Z1  Z)
R = (X2  Xt) + (Y2  Yt) + (Z2  Z)
R = (X3  Xt) + (Y3  Yt) + (Z3  Z)
R = (X4  Xt) + (Y4  Yt) + (Z4  Z)
Jeśli te cztery punkty definiują okrąg (trzy punkty z jednym punktem rezerwowym, znajdującym się także w tym okręgu), to mogą one należeć do wielu sfer, w przypadku których obliczenie środka sfery nie jest możliwe.
Za pomocą odejmowania równań stronami eliminuje się nie tylko niewiadomą zmienną R, ale i wszystkie składniki nieliniowe w równaniach. Pozostawia to zbiór równań wielomianowych stopnia pierwszego, które można rozwiązać metodą najmniejszych kwadratów. Użycie w opisywanej metodzie kalibracyjnej więcej niż czterech punktów daje w wyniku więcej równań i większą dokładność kalibracji.
Metoda „krok po kroku” wymaga rozważenia wyników co najmniej czterech pomiarów, tak jak pokazano na rysunku 4.
Podsumowanie
Metoda teach-position jest szybka, dokładna i niedroga – umożliwia kalibrację narzędzi robota bez ich demontażu, a więc zapewniając oszczędność czasu i nakładów pracy. Nie potrzeba do tego specjalnego sprzętu. Konstruktorzy maszyn mogą ów sposób łatwo wdrożyć i czerpać zyski z szybkiej, precyzyjnej i dosłownie darmowej ponownej kalibracji narzędzi sześcioosiowych robotów, co zwiększa wydajność i prędkość produkcji w wielu różnych aplikacjach.
Autor: Eran Korkidi jest inżynierem oprogramowania i aplikacji, a Mirko Borich kierownikiem działu sterowania ruchem maszyn w firmie Servotronix.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.