Entwicklung eines Sensorsystems und eines Verfahrens zur Berechnung der Roboterpose auf Basis von projizierten Strukturen

Abstract

Die Genauigkeitssteigerung von Industrierobotern ist eine zentrale Aufgabe, um Robotersysteme auch für Produktionsprozesse mit hohen Genauigkeitsanforderungen, wie Entgraten oder Bohren, einzusetzen. Roboter sind in der Lage, Posen im Arbeitsraum des Roboters wiederholbar anzufahren. Jedoch ist das absolutgenaue Anfahren von Roboterposen bisher für viele Prozesse nicht ausreichend. Eine Möglichkeit, die Absolutgenauigkeit von Robotern zu verbessern, ist die Online-Korrektur der Roboterpose mit den Messwerten eines zusätzlichen optischen Sensorsystems. Allerdings erreichen herkömmliche Sensorsysteme kaum eine Marktdurchdringung aufgrund fehlender gemessener Freiheitsgrade, unzureichender Genauigkeit oder den eingeschränkten Möglichkeiten zur Integration am Robotersystem. Das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Messprinzip für ein gestaltetes Sensorsystem verwendet die Projektion einer Maßverkörperung in den Arbeitsraum des Roboters und benutzt diese als berührungslose, ortsfeste Referenz zur Bestimmung der Roboterpose. Der zentrale Beitrag dieser Arbeit ist die Formulierung einer Gesetzmäßigkeit und das daraus entwickelte Messverfahren zur Auswertung der Messungen durch Bildverarbeitung und zur Berechnung der Roboterpose und damit die Möglichkeit zur Genauigkeitssteigerung in der Robotik. Weiterführend untersucht die vorgestellte Arbeit durch Simulation die Auswirkung von Einflussgrößen, wie die Anzahl gemessener Projektionen oder das Rauschniveau der Messung, auf das Ergebnis. Das in der Simulation erprobte Messverfahren wird nach Umsetzung des Sensorsystems und der Integration am Robotersystem in experimentellen Anwendungen, insbesondere bei der Bewegung entlang von Linien und Kreisen in einem Messquader validiert. Das wesentliche Ergebnis ist die Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit des Sensorsystems im Vergleich zum Referenzfall eines monokularen Sensorsystems um etwa 83,2% bei Bestimmung aller Freiheitsgrade der Pose. Zudem wurde experimentell bei translatorischen Bewegungen des Roboters entlang paralleler Prüfbahnen die translatorische Genauigkeit eines definierten Kriteriums von 0,087mm bei einer Unsicherheit von 0,048mm erzielt. Aus dem Beitrag dieser Arbeit entsteht die Möglichkeit, Sensorsysteme als Basis für die Entwicklung absolutgenauer Robotersysteme bereitzustellen und folglich bei komplexen und genauen Bearbeitungsaufgaben einzusetzen.

Robots are capable to reach points repeatable in its workspace. However, the exact and therefore absolute approaching of points is for various processes insufficient. As a result, the robotic community tries to overcome limitations of robot’s accuracy by compensating path deflections during the execution of processes such as drilling or deburring. The use of additional sensor systems and the measuring of the pose offer one possibility to control the exact positioning. Conventional sensor systems in robotics hardly achieve a penetration of the market because of missing number of measured degree of freedom, lacking accuracy or limited possibilities for integration in robot cells. The conveived measuring principle of this dissertation applies the projection of a material measure in the workspace of the robot as a contact-free reference for a designed sensor system. The main contribution of the work is the development of a formalism and an algorithm that interpret the measurements of the projected reference structure and compute the pose based on image processing operations. Furthermore, the work deals with the simulation of the sensor system and evaluation of influencing variables. Afterwards a real test bed is presented and the experimental validation of the sensor system based on movements along lines or circles in a cuboid are outlined. One essential result is the achieved accuracy of the developed sensor system compared to a monocular approach which is presented as reference measurement. In case of a 6D pose determination, the sensor systems achieves an improvement about 83,2%. In fact, when evaluating parallel test paths the translational accuracy is 0,087mm with an uncertainity 0,048mm of a defined assessment criteria. This shows the effectiveness of the measurement principle in order to set up robot system for complex and accurate machining tasks.