Robotic drawing on a 3D object

Abstract

Industrieroboter werden häufig bei Fertigungsaufgaben wie Montage, Schleifen und Polieren eingesetzt, um eine vollautomatische Produktion mit hoher Qualität und Effizienz zu erreichen. Das robotische Zeichnen ist ein geeignetes Beispiel, um die Effektivität vom Einsatz der Robotik in den genannten industriellen Anwendungen zu demonstrieren. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels eines Roboters ein beliebiges Muster auf der Oberfläche eines bekannten 3D-Objekts zu zeichnen. Das 2D-Muster wird vom Benutzer mit einer Maus oder einem Touchscreen ausgeführt. Bevor das 2D-Muster auf die Oberfläche des Objekts projiziert werden kann, muss die 3D-Oberfläche mithilfe einer konformen Abbildung basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate abgeflacht werden. Die 2D-Musterpunkte werden durch lineare Interpolation unter Verwendung von baryzentrischen Koordinaten auf die 3D-Objektoberfläche abgebildet. Dann wird für die projizierten Musterpunkte eine Trajektorie sowohl für die Position als auch für die Orientierung des Stifts konstruiert, welche mit einer Trajektorienfolgeregelung gefolgt werden muss. Zu diesem Zweck wird zunächst das dynamische Modell des Roboters hergeleitet. Basierend darauf wird ein Regler entworfen, um der gewünschten Trajektorie auf der Objektoberfläche zu folgen. Das Regelungskonzept besteht aus zwei Teilen. Zum einen wird die Position und Orientierung des Endeffektors geregelt. Zum anderen, da der Stift in Kontakt mit der Objektoberfläche ist, wird die Kontaktkraft geregelt. Die Kombination der beiden vorgeschlagenen Regelungskonzepte führt zum sogenannten hybriden Kraft-/Positionsregler. Um die Absolutgenauigkeit des Roboters während des Zeichnens zu verbessern, wird ein optisches Messsystem verwendet, welches die Position und Orientierung des Endeffektors ermittelt. Da das 3D-Objekt beliebig im Arbeitsbereich des Roboters positioniert werden kann, muss das Messsystem auch die Poseinformation des 3D-Objekts liefern. Das präsentierte Konzept wird an einem experimentellen Aufbau mit einem 7-Achs- Roboterarm validiert. Das Robotersystem kann sowohl auf planaren als auch auf gekrümmten Oberflächen zeichnen. Es wird außerdem gezeigt, dass unter Verwendung von optischen Messsystemen die Genauigkeit vom Roboter erhöht werden kann.

Industrial robots are widely used in manufacturing tasks such as assembling, grinding and polishing to achieve fully automated production with high quality and efficiency. Robotic drawing treated in this work is a suitable scenario to demonstrate the effectiveness of robotics in such industrial applications. The goal of this thesis is the robotic drawing of an arbitrary pattern on the surface of a known 3D object. The desired 2D pattern is drawn by the user via mouse or touch screen. Before the pattern can be projected onto the surface of the object, the 3D surface of the object model is flattened using least-squares conformal mapping. The 2D pattern points are then mapped onto the 3D object surface by linear interpolation using barycentric coordinates. For the projected pattern points, a trajectory for both position and orientation of the pen is constructed, which must be followed by the robot end-effector. This can be achieved by a trajectory tracking controller. For this purpose, first the dynamic model of the robot is discussed. The control concept consists of two parts. On the one hand, the position and orientation of the end-effector are controlled. On the other hand, since the pen is in contact with the object surface, the contact force is regulated. The combination of the two proposed controllers leads to a hybrid force/motion control scheme. In order to improve the absolute accuracy of the robot during the drawing task, an optical measurement system is used for obtaining the position and orientation of the end-effector. Since the 3D object can be positioned arbitrarily in the robot workspace, the measurement system also has to provide the pose information of the 3D object. The proposed concept is validated in experiments using a 7-axis robot arm. The robot system is able to draw on both planar and curved surfaces. It is also shown that by using the optical measuring system the drawing accuracy can be increased.