Absolut genaue Trajektorienfolgeregelung in der Robotik mithilfe eines 2D-Lasertriangulationssensors

Abstract

Industrieroboter sind multifunktionale mechanische Systeme, welche für die Bearbeitung von Objekten und Freiformoberflächen eingesetzt werden können. Für einen erfolgreichen Prozessablauf muss im Allgemeinen der Endeffektor einer vorgegebenen Trajektorie absolutgenau folgen. Aufgrund von nicht idealen Eigenschaften des Roboters, wie Toleranzen in der Kinematik und fehlender Steifigkeit im mechanischen Aufbau, entsteht eine immanente Ungenauigkeit in der Endeffektorpose des Roboters. Das Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, zu zeigen, dass mithilfe eines ortsfesten 2D-Lasertriangulationssensors eine absolut genaue Bearbeitung eines Werkstückes durch einen Industrieroboter möglich ist. Dafür wird aus den Messdaten des Sensors die Pose des Werkstückes, bestehend aus Position und Orientierung, berechnet und in die Regelung rückgeführt. Für die Bestimmung der Pose des Werkstücks wird der Iterative-Closest-Point-Algorithmus verwendet und weiter entwickelt. In der Weiterentwicklung wird die sogenannte Approximierte-Punkt-zu-Ebenen-Fehlermetrik anstatt der üblichen Punkt-zu-Punkt-Fehlermetrik verwendet, welche eine schnellere Konvergenz aufweist. Weiters reduziert sich das nichtlineare Optimierungsproblem auf eine lineare Optimierung, wodurch effiziente Lösungsverfahren angewendet werden können. Mithilfe einer weiteren Vereinfachung beider Suche nach dem nächstgelegenen Punkt, kann die benötigte Laufzeit des gesamten Algorithmus von 116 s auf 23 ms reduziert werden, ohne Einschränkung bei der erreichten Genauigkeit der Posenbestimmung. Die Regelung des Industrieroboters erfolgt im kartesischen Arbeitsraum mithilfe der inversen Dynamik. Das Ergebnis dieser Arbeit wird in Form eines simulierten Arbeitsablaufes veranschaulicht. Es wird ein Industrieroboter Kuka LBR iiwa 14 R820 mit fehlerbehaftetem Modell simuliert, welcher ein Werkstück entlang einer vorgegebenen Trajektorie mit einer Geschwindigkeit von 7 mm / s führt. Ohne Posenbestimmung entsteht aufgrund der eingeführten Modellfehler eine translatorische Abweichung von bis zu 14 mm. Durch die Vermessung des Werkstückes mit dem 2D-Lasertriangulationssensor Micro - Epsilonscan CONTROL 2600-100 und der Rückführung des Ergebnisses der Posenbestimmung in die Regelung, kann die maximale Abweichung auf 0,6 mm reduziert werden. Die erreichte Laufzeit der Posenbestimmung erlaubt einen Einsatz in einer realen Umgebung.

Industrial robots are multi-functional mechanical systems which can be used for the processing of objects and free form surfaces. For a successful execution of the process, the end effector has to be able to follow a given trajectory with absolute accuracy. Due to non-ideal properties of the robot, such as tolerances in the kinematics and compliance in the mechanical structure, there is an inherent inaccuracy in the end effector pose of therobot.The aim of this research work is to demonstrate that, with the assistance of a stationary 2D-laser triangulation sensor, it is possible for an industrial robot to process a workpiece with absolute accuracy. The pose of the workpiece, which consists of position and orientation, is calculated from the sensor’s measurement data and fed back into the control system.In order to determine the pose of the workpiece, the Iterative-Closest-Point-Algorithmis utilized and improved w. r. t. several aspects. Improvements involve the use of theso-called Approximated-Point-to-Plane error metric instead of the usual Point-to-Pointerror metric, which exhibits a faster convergence of the algorithm. Furthermore, thisreduces the nonlinear optimization problem to a linear optimization, allowing to apply efficient solvers. As a result of further simplification in the search for the nearest point,therequired runtime of the algorithm can be reduced from 116 s to 23 ms, without degrading the achieved accuracy of the pose identifi cation. The industrial robot is controlled in thecartesian space with the use of the inverse dynamics.The result of this research is presented in the form of a simulated work sequence. A Kuka LBR iiwa 14 R820 industrial robot is simulated with an inaccurate model. The robot movesa workpiece along a given trajectory at a speed of 7 mm / s. Without pose identifi cation,aposition error of up to 14 mm occurs due to the introduced model deviations. By measuring the workpiece with the Micro - Epsilon scanCONTROL 2600-100 2D-laser triangulationsensor and feeding the result of the pose identifi cation back into the control system, the maximum position error can be reduced to 0.6 mm. The achieved runtime of the poseidentifi cation allows deployment in an industrial application.