ZASTOSOWANIE SKANERA 3D DO KOREKCJI TCP MANIPULATORA PRZEMYSŁOWEGO

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 64, ISSN 1896-771X ZASTOSOWANIE SKANERA 3D DO KOREKCJI TCP MANIPULATORA PRZEMYSŁOWEGO Andrzej Burghardt 1a, Krzysztof Kurc 1b, Dariusz Szybicki 1c, Wojciech Łabuński 1d 1 Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska a andrzejb@prz.edu.pl, b kkurc@prz.edu.pl, c dszybicki@prz.edu.pl, d w.labunski@prz.edu.pl Streszczenie W pracy przedstawiono koncepcję zastosowania optycznego skanera 3D do wyznaczania TCP manipulatora przemysłowego. Manipulator podczas obróbki może używać różnego rodzaju narzędzi (np. wrzecion elektrycznych, pneumatycznych), dla których niezbędne jest wyznaczenie TCP. Wrzeciona w trakcie obróbki danej powierzchni bądź krawędzi mogą być zmieniane. Każda zmiana wrzeciona związana jest z pewną niedokładnością. Kolejne niedokładności generowane są przez wymianę narzędzi obróbczych (frezy, tarcze ścierne). Niedokładności te powodują zmianę punktu centralnego narzędzia (ang. Tool Cetre Point w skr. TCP) manipulatora, którą należy korygować. Słowa kluczowe: roboty przemysłowe, wyznaczanie TCP, programowanie robotów, skaner 3D APPLICATION OF A 3D SCANNER FOR ROBOT S TCP CORRECTION Summary The paper presents the concept of using an optical 3D scanner to determine a TCP of industrial robot. While performing the machining the robot can use various types of tools (eg electric or pneumatic spindles) and various machining tools for which determination of TCP is necessary. Also, spindles can be changed during the machining of a surface or an edge. Each change of spindle is associated with some inaccuracy from the changer system. Further inaccuracies are generated by the machining tools (cutters, grinding wheels). These inaccuracies cause a change of robot s TCP that should be corrected. Keywords: vibrations, electrostatic precipitators, finite element method 1. WSTĘP Z przemysłowego punktu widzenia kalibracja centralnego punktu narzędzia manipulatora przemysłowego, zwanego z języka angielskiego TCP (ang. Tool Centre Point), ma duże znaczenie ze względu na potrzebę coraz większej dokładności w trakcie realizowania różnych procesów, a co za tym idzie, poszerzenia możliwości implementacji robotów. W dostępnej literaturze można znaleźć wiele nowatorskich rozwiązań, za pomocą których próbuje się zdefiniować punkt TCP. Część prac nie skupia się bezpośrednio na kalibracji narzędzia, lecz próbuje opracować rozwiązania zwiększające dokładność wszystkich osi robota, w ten sposób zwiększając dokładność osiągania przez manipulator punktów w przestrzeni [6,7,9,10]. Kolejnym problemem rozważanym w literaturze jest kalibracja samego punktu TCP. Część prac proponuje autorskie metody określania punktu [2,5,13]. Pojawiają się również teoretyczne i analityczne rozwiązania problemu [12]. Metoda zaproponowana w tej pracy, w odróżnieniu od wyżej wymienionych, skupia się jedynie na narzędziu zamontowanym na robocie, zaś, wykorzystując skaner optyczny obecny w stacji, poszerza jej funkcjonalność i pozwala na realizację procedury

Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Dariusz Szybicki, Wojciech Łabuński korekcji punktu TCP bez konieczności rekonfiguracji stanowiska. Stacje zrobotyzowane są przedmiotem wielu publikacji [3,4,5,8,11]. Istnieje wiele różnych metod wyznaczania TCP robotów. Wykorzystując zestawienie przedstawione w [2], można wymienić kilka następujących. Kalibracja manualna Jest to metoda, która polega na osiągnięciu przez ramię robota punktu referencyjnego przy różnych konfigura- lub obiektu jest cjach ramion (rys.1). Pozycja narzędziaa ustalana przy użyciu elementów o kształcie stożka, ustawionych naprzeciw siebie. Wynik takiej metody jest niedokładny, często niepowtarzalny i w dużej mierze zależy od umiejętności i doświadczenia operatora. W związku z tym trudno jest ustalić i oszacować przydatmoże być wyko- ność tej metody. Mimo tego metoda ta rzystywana, jeśli nie wymaga się wysokiej dokładności kalibracji. Rys. 2. Stanowisko Bulls eye [1] Za pomocą stanowiska Bull s eyee nie można bezpośred- jedynie korygować nio wyznaczyć punktu TCP, lecz jedną z osi. Kalibracja przy użyciu opcji kontroli siły Metoda przywiduje użycie dodatku dla robota w postaci pakietu kontroli siły (ang. Force Control), który moni- zewnętrz- toruje wartość siły zadanej z zastosowaniem nych czujników. Pakiet ten jest przeznaczony do proce- i polerowania. sów zatępiania krawędzi, szlifowania W podstawowej konfiguracji system kontroli siły jest w stanie automatycznie wykryć i skalibrować zamontowa- uprzednio zdefinio- ne narzędzie poprzez wykorzystanie wanej pozycji trzech grotów referencyjnych przytwier- dzonych do detalu. Dedykowane układy pomiarowe Rys. 1. Schemat działania kalibracji ręcznej Dużą zaletą, z ekonomicznego punktuu widzenia, jest brak konieczności posiadania zaawansowanego systemu lub stanowiska. Jednym z przykładów opisywanych układów pomiaro- LAB firmy WIEST wych może być stanowisko Laser AG (rys. 3). Narzędzie pomiarowe składa się z pięciu osobnych czujników laserowych. Są one rozmieszczone na pięciu ścianach, tak że wiązki lasera przecinają się we wspólnym punkcie. Pozycja powierzchni sfery pomiaro- wej w trzech wymiarach jest uzyskiwana poprzez umieszczenie jej w urządzeniu Laser LAB. Kalibracja laserowa Stanowisko kalibracji laserowej typu Bull s eye (rys. 2) jest to urządzenie do wyznaczania punktu TCP oraz orientacji narzędzia zamontowanego na robocie. Jest ono skuteczne wyłącznie dla narzędzi posiadających koncentryczne elementy wzdłuż swojej osi. Metoda pomiaru przy użyciu tego systemu opiera się na technologii laserowej. Poruszając narzędziem robota z zamontowaną sferyczną sondą, można wyznaczyć szerokość koncen- że jego pod- trycznego elementu narzędzia, zakładając, stawowe wymiary są znane, a następnie oś główną, która jest użyta do wyznaczenia orientacji punktu końcowego narzędzia. Powyższe pomiary pozwalają na określenie końca narzędzia. Rys. 3. Schemat stanowiska Laser LAB [14] Wykorzystując wyniki otrzymane tą metodą oraz znając promień sfery, można w łatwy sposób uzyskać punkt TCP. Drugim przykładem wyznaczaniaa punktu TCP narzędzia jest stanowisko ABB Navigator. Kalibrację z reguły wykonuje się poprzez lokalizację charakterystycznych punktów, używając robota jako narzędzia mierniczego. 11

ZASTOSOWANIE SKANERA 3D DO KOREKCJI TCP MANIPULATORA PRZEMYSŁOWEGO Navigator jest automatycznym i niezależnym od użytkownika systemem. Metoda ta polega na zamontowaniu na robocie sferycznego próbnika i szukaniu sfer rozmieszczonych w specjalnie do tego przygotowanej celi. Sfery rozmieszczone w celi są uziemione, zaś do narzędzia przykłada się napięcie. Gdy obie powierzchnie się zetkną, następuje zamknięcie obwodu, rejestrowane sygnałem we/wy i zapamiętanie aktualnej pozycji robota. 2. OPIS STANOWISKA Do przeprowadzenia badań wykorzystano stanowisko zrobotyzowane wchodzące w skład laboratorium robotów przemysłowych Katedry Mechaniki Stosowanej i Robotyki Politechniki Rzeszowskiej. W skład stacji wchodzą: robot ABB IRB 140 z zamontowanym elektrowrzecionem, robot ABB IRB 1600 ze skanerem optycznym GOM Atos Core 135, pozycjoner ABB IRBP A250, zmieniarka narzędzi firmy Schunk. Rozmieszczenie poszczególnych elementów przedstawia rys. 4.. Rys. 5. Uproszczony schemat kinematyczny robota Parametry poszczególnych członów i przegubów oznaczono w następujący sposób: a - długość i-tego członu, α - skręcenie i-tego członu, d - odsunięcie i-tego przegubu, φ - kąt i-tego przegubu. Na rys. 6. przedstawiono główne wymiary członów kinematycznych manipulatora IRB140. Ich wartości są następujące: d1=352mm, d4=380mm, d6=65mm, a1=70mm, a2=360mm. Rys. 4. Schematyczna prezentacja stanowiska w środowisku CAD W trakcie eksperymentu wykorzystano dwa roboty z zamontowanymi narzędziami. Sterownik robota IRB 1600 wraz z zamontowanym skanerem był połączony z komputerem klasy PC, co pozwoliło na sterowanie procesem skanowania za pomocą oprogramowania Atos Professional. 3. GEOMETRIA I KINEMATYKA ROBOTA Z WRZECIONEM W celu teoretycznej analizy problemu rozważono geometrię manipulatora oraz zamontowanego na nim narzędzia. Rys. 6. Wymiary poszczególnych członów kinematycznych manipulatora Na podstawie przygotowanych danych rozwiązano zadanie proste kinematyki manipulatora sześcioosiowego, a następnie poszerzono je o przekształcenia dla narzędzia. 3.1 ZADANIE PROSTE KINEMATYKI Przekształcenie jednorodne A z układu i do układu i+1 dla każdego przegubu reprezentowane są jako wynik czterech przekształceń podstawowych: cosφ sinφ 0 0 sinφ Rot φ = cosφ 0 0 (1) 0 0 1 0 1 0 0 0 0 cosα Rot α = sinα 0 (2) 0 sinα cosα 0 12

Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Dariusz Szybicki, Wojciech Łabuński 1 0 0 0 0 1 0 0 Trans d = (3) 0 0 1 d 1 0 0 a 0 1 0 0 Trans a = (4) 0 0 1 0 A =Rot φ Trans d Trans a Rot α (5) W reprezentacji macierzowej powyższe przekształcenie przyjmie postać A = cosφ sinφ cosα sinφ sinα a cosφ sinφ cosφ cosα cosφ sinα a sinφ 0 sinα cosα d (6) Dla odpowiednio przygotowanych układów współrzędnych (rys.5) na podstawie zależności (5) zapisano poszczególne przekształcenia jako Rys. 7. Model CAD skanowanego wrzeciona Rozważane narzędzie jest wykorzystywane do gratowania krawędzi detali wykonanych z aluminium. A =Rot φ Trans d Trans a Rot π/2 (7) A % =Rot & φ % π/2trans & a % (8) A %' =Rot ( φ ' Trans ( a ' Rot ( π/2 (9) A ') =Rot * φ ) Trans * d ) Rot * π/2 (10) A )+ =Rot, φ + Rot, π/2 (11) A +- =Rot. φ - Trans. d -. (12) Rozwiązaniem prostego zadania kinematyki jest macierz A - =A A % A %' A ') A )+ A +-, (13) którą można zapisać jako A - =0 x 3 1 y3 ' 6. (14) z3 Ostatnia kolumna zawiera wartości współrzędnych punktu zaczepionego w kiści manipulatora. 3.2 PRZEKSZTAŁCENIA DLA NARZĘDZIA W trakcie badań wykorzystano model ADEV40 wrzeciona elektrycznego firmy PDS. Model CAD narzędzia został przedstawiony na rys. 7, zaś rzeczywiste wrzeciono, w trakcie procesu skanowania, zaprezentowano na rys. 8. Rys. 8. Wrzeciono zamontowane na robocie Zadanie proste kinematyki zostało poszerzone o dwa kolejne przekształcenia jednorodne A6-7 oraz A7-8. A -7 =Rot 8 π/2trans 8 d 7 Rot 8 π/2 (15) A 79 =Rot : φ 7 Trans : d 9 (16) Pozwalają one wyznaczyć położenie i orientację punktu TCP związanego z narzędziem zamontowanym na manipulatorze względem kiści robota, a następnie względem układu bazowego. Po uzupełnieniu macierzy (13) o (15) i (16) rozwiązanie przyjmie postać A 9 =A A % A %' A ') A )+ A +- A -7 A 79 (17) Układy współrzędnych kiści oraz TCP wrzeciona zaznaczono na rys. 9. Rys. 9. Układy współrzędnych wrzeciona i kiści robota Ze względu na ograniczenia wynikające z zasad stosowanych przy notacji Denavita-Hartenberga macierz A6-8 składa się z pięciu przekształceń jednorodnych. 13

ZASTOSOWANIE SKANERA 3D DO KOREKCJI TCP MANIPULATORA PRZEMYSŁOWEGO 4. PRZEBIEG BADANIA Proces korekcji TCP robota składał się z następujących etapów: skanowanie narzędzia skanerem optycznym zamontowanym maniplatorze ABB IRB 1600, wygenerowanie chmury punktów w oprogramowaniu Atos Professional na podstawie otrzymanych zdjęć, odczytanie współrzędnych położenia końcówki narzędzia względem kiści robota, zapisanie danych do pliku tekstowego, eksport pliku tekstowego do kontrolera robota przy pomocy protokołu TCP/IP, wczytanie współrzędnych do procedury w języku RAPID, korekcja zmiennej narzędziowej w aktualnym programie kontrolera, Rys. 11. Widok środowiska Atos Professional Wykorzystując powyższe środowisko, zdefiniowano położenie kiści robota, a następnie określono w tym układzie położenie punktu TCP i układu współrzędnych narzędzia (rys. 12). Wyniki otrzymane w trakcie procedury korekcyjnej porównano z modelem narzędzia w celu weryfikacji otrzymanego rozwiązania. 4.1 PROCES SKANOWANIA I OBRÓBKA DANYCH Wrzeciono zamontowane na robocie ABB IRB 140 zeskanowano za pomocą skanera optycznego GOM Atos Core 135 zainstalowanego na robocie ABB IRB 1600 (rys. 10). Rys. 12. Wynik skanowania porównany z modelem CAD: a) punkt zaczepienia układu współrzędnych kiści robota, b) punkt zaczepienia układu współrzędnych narzędzia Rys. 10. Robot IRB140 ze skanowanym narzędziem i robot IRB1600 skanerem 3D Skaner GOM Atos Core 135 działa na zasadzie triangulacji, tzn. zmiana odległości między źródłem światła a powierzchnią przedmiotu pozwala okreslić wartość kąta, pod jakim jest obserwowana plamka światła. Stąd za pomoca czujnika CMOS oraz prostych przekształceń geometrycznych można wyznaczyć odległość od skanowanego detalu. Oprogramowanie skanera Atos Professional pozwala na pełne zwymiarowanie zeskanowanego obiektu, poprawę ewentualnych błędów oraz zapis chmury punktów do bryły lub w innych formatach (rys. 11). Otrzymane dane zapisano do pliku tekstowego, który został przesłany do kontrolera robota za pomocąa programu napisanego w języku C++. Do komunikacji systemu wizyjnego i sterownika robota wykorzystano protokół TCP/IP. 4.2 KOREKCJA TCP ROBOTA Przesłany plik tekstowy otwarto, stosując procedurę przygotowaną w języku RAPID, a następnie uaktualnioną bieżącą zmienną narzędziową, wykorzystując wartości odczytane z przesłanego pliku (rys. 13). 14

Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Dariusz Szybicki, Wojciech Łabuński Otrzymaną w trakcie skanowania chmurę punktów porównano z modelem CAD (rys. 15b). Stosując dostępne oprogramowanie, sprawdzono dokładność rozwiązania i na tej podstawie przygotowano płaszczyzny referencyjne. Rys. 13. Fragment kodu w języku RAPID punktu TCP procedury korekcji Zmienna narzędziowa w procedurze korekcji przyjmie postać przedstawioną na rys. 14. Rys. 14. Zaktualizowana zmienna narzędziowa W ten sposób dokonano aktualizacji wartości współrzędnych TCP wrzeciona, wykorzystując procedurę skanowania narzędzia. 5. WERYFIKACJA OTRZYMANYCH WYNIKÓW W celu weryfikacji otrzymane wyniki zostały porównane z przygotowanym modelem CAD. Rys. 16. Model CAD wrzeciona z płaszczyznami referencyjnymi Płaszczyzny przygotowane na podstawie chmury punktów, będącej wynikiem skanowania posłużyły do weryfikacji otrzymanego rozwiązania (rys.15 a, rys. 16 ). 6. WNIOSKI W pracy zaprezentowano metodę korekcji punktu TCP manipulatora, która polega na wykorzystaniu optycznego skanera 3D GOM Atos Core 135 do zeska- w ten sposób nowania narzędzia robota. Otrzymaną chmurę punktów porównano z modelem CAD i określo- no położenia punktu na końcu narzędzia względem flanszy robota. Tak otrzymane punkty przesłano do kontrolera robota za pomocą protokołu TCP/IP. Ostatprocedury aktualizacji nim krokiem było wykonanie zmiennej narzędziowej w programie robota. Opracowana metoda znacznie skraca czas kalibracji punktu TCP robota, jak również eliminuje błędy ludzkie mogące pojawić się w trakcie tradycyjnej kalibracji ręcznej. Rys. 15. Wynik skanowania obiektu: a) model CAD i płaszczyzny porównawcze w środowisku Atos Professional, b) chmura punktów zapisana jako model CAD 15

ZASTOSOWANIE SKANERA 3D DO KOREKCJI TCP MANIPULATORA PRZEMYSŁOWEGO Literatura 2. Bergström G.: Method for calibrating of off-line generated robot program. 2011. welding-equipment/process-support-tools/bullseye [dostęp: 07.06.2017]. 1. ABB, (2017). [online]: http:/ //new.abb.com/products/robotics/application-equipment-and-accessories/arc- 3. Burghardt A., Szybicki D., Gierlak P., Kurc K., Muszyńska M.: Robotic automation of the turbo-propeller engine blade grinding process, Dynamical systems: Mechatronics and Life Sciences 2015, p. 121-130. 4. Burghardt A., Szybicki D., Kurc K.., Muszyńska M.: Optimization of process parameters of edge robotic deburring with force control. International Journal of Applied Mechanics and Engineering 2016, Vol.21, Nr.4, p. 987-995. 5. Burghardt A., Kurc K., Muszyńska M., Szybicki D.: Zrobotyzowane stanowisko weryfikacji procesów obróbki. Modelowanie Inżynierskie 2014, t. 21, nr 52, s. 23-29. 6. Cheng G, Frank S.: The method of recovering robot TCP positions in industrial robot application programs. Mechatronics and Automation, 2007. ICMA 2007, 2007, p. 805-810. 7. De Smet P.: Method for calibration of a robot inspection system. U.S. Patent Nr 6,321,137, 2001. 8. Gierlak P., Burghardt A., Szybicki D., Szuster M., Muszyńska M.: On-line manipulator tool condition monitor- ing based on vibration analysis. Mechanical Systems and Signal Processing 2017, 89, p. 14-26. 9. Judd Robert P., Knasinski Al B.: A technique to calibrate industrial robots with experimental verification. IEEE Transactions on robotics and automation, 1990, 6.1, p. 20-30. 10. Motta J.M.S.T., de Carvalho G.C.., McMaster R.S.: Robot calibration using a 3D vision-based measurement system with a single camera. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2001, 17.6, p. 487-497. 11. Muszyńska M., Burghardt A.,Kurc K., Szybicki D.: Verification hybrid control of a wheeled mobile robot and manipulator. Open Engineering, 2016, Vol. 6, No. 1, p. 64 72, 12. Nubiola A., Bonev I.: A. Absolute calibration of an ABB IRB 1600 robot using a laser tracker. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2013, 29.1, p. 236-245. 13. Schröer K.: Precision and calibration. Handbook of industrial robotics, John Wiley & Sons, 1999, p. 795-809. ISBN 9780471177838 14. Wiest-ag.com. (2017). Calibrating and measuring with LaserLAB Wiest AG - Roboterkalibrierung. [online]: http://wiest-ag.com/products/laserlab [dostęp: 07.06.2017]. Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl 16