Gines Buil, Manuel
Santolaria Mazo, Jorge (dir.) ; Acero Cacho, Raquel (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Abstract: Las aplicaciones industriales que incorporan el uso de robots requieren cada vez mejores prestaciones que dependen de dos importantes características inherentes a todo robot, su repetibilidad y precisión. El proceso para determinar las diferencias entre las trayectorias programadas y las óptimas para conseguir la identificación de los parámetros cinemáticos del robot recibe el nombre de calibración cinemática, influyendo en la precisión del robot el proceso de calibración realizado.
La precisión de posición de un manipulador puede verse afectada por errores geométricos y no geométricos. Los errores geométricos pueden ser debidos a desplazamientos en las articulaciones y errores en los parámetros cinemáticos nominales. Por otra parte, los errores no geométricos incluyen fricción, inercia, carga aplicada, flexión, y temperatura que induce deformaciones dimensionales. Los resultados experimentales muestran que más de un 95% de las inexactitudes de un robot manipulador son debidas a errores geométricos.
Los métodos de calibración estática, como el que se presenta en este trabajo, se basan en métodos de identificación, optimización de parámetros geométricos y sistemas de corrección para robots que influyen en su precisión. Los métodos de calibración dinámica parten de los resultados de la calibración estática y persiguen la obtención de modelos para describir el comportamiento dinámico de un robot, con influencias como fuerzas, gravedad, inercias, momentos y efectos no geométricos debidos a fricción o transmisión de movimiento entre los engranajes de las articulaciones.
Las aproximaciones típicas a la calibración de robots industriales se basan generalmente en métodos de lazo abierto y lazo cerrado, mientras que los métodos de medición screw-axis (eje-tornillo), en los cuales se focaliza este trabajo, han tenido tradicionalmente mucha menos atención. Aunque los procesos de identificación no garantizan el enlace entre la parte matemática y la física de los parámetros del robot en los dos primeros grupos de técnicas, estas técnicas son generalmente más efectivas en reducir el error de posicionamiento global del robot. En el tercer grupo de técnicas, los errores cinemáticos se calibran mediante la determinación de la relación de transformación real entre articulaciones consecutivas, siendo capaces de obtener parámetros basados en la realidad física del robot, manteniendo de forma efectiva este enlace.
En este trabajo se pretende usar la calibración cinemática para mejorar la precisión de la posición y orientación del robot mediante el cálculo de los parámetros del modelo cinemático que, o bien minimizan el error causado por el manipulador, o bien consiguen encajar mejor en la cinemática existente en el robot. Se persigue por lo tanto desarrollar un nuevo método de calibración cinemática y de parametrización de los errores en la geometría cinemática en los robots manipuladores con articulaciones de giro en serie, basado en métodos de calibración de eje-tornillo y más concretamente en la técnica del Circle Point Analysis (CPA).
La técnica de Circle Point Analysis (CPA) se basa el movimiento individual de cada una de las articulaciones del robot en un círculo mientras se mide la trayectoria de la articulación descrita por un punto alrededor de cada articulación. Se toman medidas para cada una de las seis articulaciones y se calcula el círculo que mejor se ajusta a los puntos capturados para cada eje. Por lo tanto, es posible considerar la posición del eje como un vector que pasa por el centro del círculo con una dirección normal al plano que contiene dicho círculo. Este método tiene dos ventajas significativas: los parámetros cinemáticos se determinan analíticamente a partir de las relaciones de distancias y ángulos entre los vectores calculados, y se simplifica el método y se elimina la demanda de tiempo de cálculo que requiere el proceso de optimización no lineal convencional.
En el desarrollo del nuevo método de calibración cinemática de esta tesis se siguen los siguientes pasos que se detallan a continuación: En primer lugar, se determina el modelo cinemático del robot usando el modelo de Denavit-Hartenberg. Se procede a continuación al proceso de adquisición de datos mediante un láser tracker con un ¿active target¿, que maximiza el ángulo cubierto para cada articulación y simplifica enormemente el proceso de medida de cada eje. Como tercer paso se realiza el proceso de optimización o identificación de parámetros geométricos mediante procedimientos de aproximación basados en distintos tipos de ajuste por mínimos cuadrados a los datos medidos. Por último se finaliza con la identificación de las posibles causas y fuentes de error, juego y excentricidad de las articulaciones del robot analizado, y la implementación de modelos de corrección en el robot.
Una vez realizada la calibración cinemática de un robot real mediante la técnica del Circle Point Analysis (CPA), se expone el modelo matemático para el cálculo de la incertidumbre de la calibración del robot, que permite conocer la incertidumbre de posicionamiento del robot en función de su ubicación, para cualquier posición y orientación. Para ello se utilizó la técnica de simulación de Monte Carlo aplicada al análisis de la propagación de la incertidumbre de las variables de entrada, dando como resultado la incertidumbre de calibración de los parámetros cinemáticos identificados previamente.
Abstract (other lang.):
La precisión de posición de un manipulador puede verse afectada por errores geométricos y no geométricos. Los errores geométricos pueden ser debidos a desplazamientos en las articulaciones y errores en los parámetros cinemáticos nominales. Por otra parte, los errores no geométricos incluyen fricción, inercia, carga aplicada, flexión, y temperatura que induce deformaciones dimensionales. Los resultados experimentales muestran que más de un 95% de las inexactitudes de un robot manipulador son debidas a errores geométricos.
Los métodos de calibración estática, como el que se presenta en este trabajo, se basan en métodos de identificación, optimización de parámetros geométricos y sistemas de corrección para robots que influyen en su precisión. Los métodos de calibración dinámica parten de los resultados de la calibración estática y persiguen la obtención de modelos para describir el comportamiento dinámico de un robot, con influencias como fuerzas, gravedad, inercias, momentos y efectos no geométricos debidos a fricción o transmisión de movimiento entre los engranajes de las articulaciones.
Las aproximaciones típicas a la calibración de robots industriales se basan generalmente en métodos de lazo abierto y lazo cerrado, mientras que los métodos de medición screw-axis (eje-tornillo), en los cuales se focaliza este trabajo, han tenido tradicionalmente mucha menos atención. Aunque los procesos de identificación no garantizan el enlace entre la parte matemática y la física de los parámetros del robot en los dos primeros grupos de técnicas, estas técnicas son generalmente más efectivas en reducir el error de posicionamiento global del robot. En el tercer grupo de técnicas, los errores cinemáticos se calibran mediante la determinación de la relación de transformación real entre articulaciones consecutivas, siendo capaces de obtener parámetros basados en la realidad física del robot, manteniendo de forma efectiva este enlace.
En este trabajo se pretende usar la calibración cinemática para mejorar la precisión de la posición y orientación del robot mediante el cálculo de los parámetros del modelo cinemático que, o bien minimizan el error causado por el manipulador, o bien consiguen encajar mejor en la cinemática existente en el robot. Se persigue por lo tanto desarrollar un nuevo método de calibración cinemática y de parametrización de los errores en la geometría cinemática en los robots manipuladores con articulaciones de giro en serie, basado en métodos de calibración de eje-tornillo y más concretamente en la técnica del Circle Point Analysis (CPA).
La técnica de Circle Point Analysis (CPA) se basa el movimiento individual de cada una de las articulaciones del robot en un círculo mientras se mide la trayectoria de la articulación descrita por un punto alrededor de cada articulación. Se toman medidas para cada una de las seis articulaciones y se calcula el círculo que mejor se ajusta a los puntos capturados para cada eje. Por lo tanto, es posible considerar la posición del eje como un vector que pasa por el centro del círculo con una dirección normal al plano que contiene dicho círculo. Este método tiene dos ventajas significativas: los parámetros cinemáticos se determinan analíticamente a partir de las relaciones de distancias y ángulos entre los vectores calculados, y se simplifica el método y se elimina la demanda de tiempo de cálculo que requiere el proceso de optimización no lineal convencional.
En el desarrollo del nuevo método de calibración cinemática de esta tesis se siguen los siguientes pasos que se detallan a continuación: En primer lugar, se determina el modelo cinemático del robot usando el modelo de Denavit-Hartenberg. Se procede a continuación al proceso de adquisición de datos mediante un láser tracker con un ¿active target¿, que maximiza el ángulo cubierto para cada articulación y simplifica enormemente el proceso de medida de cada eje. Como tercer paso se realiza el proceso de optimización o identificación de parámetros geométricos mediante procedimientos de aproximación basados en distintos tipos de ajuste por mínimos cuadrados a los datos medidos. Por último se finaliza con la identificación de las posibles causas y fuentes de error, juego y excentricidad de las articulaciones del robot analizado, y la implementación de modelos de corrección en el robot.
Una vez realizada la calibración cinemática de un robot real mediante la técnica del Circle Point Analysis (CPA), se expone el modelo matemático para el cálculo de la incertidumbre de la calibración del robot, que permite conocer la incertidumbre de posicionamiento del robot en función de su ubicación, para cualquier posición y orientación. Para ello se utilizó la técnica de simulación de Monte Carlo aplicada al análisis de la propagación de la incertidumbre de las variables de entrada, dando como resultado la incertidumbre de calibración de los parámetros cinemáticos identificados previamente.
Abstract (other lang.):
Pal. clave: robótica
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería de Diseño y Fabricación
Plan(es): Plan 511
Knowledge area: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 17 06 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
Contribution of the TFG/M to Sustainability: Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación
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Record created 2024-08-30, last modified 2024-08-30
