Optimalizace hand-eye kalibrace profilového skeneru jako nástroje robota

Ing. Michal CHALUŠ

Doctoral thesis

Optimization of hand-eye calibration of a profile scanner as a robot tool

Abstract:

Vývoj automatických naváděcích systémů pro svařovací roboty probíhá již několik desetiletí, jelikož automatické navádění přináší oproti manuálnímu procesu svařování zejména vyšší přesnost, robustnost a časovou efektivitu. Navíc získané znalosti jsou dále transformovány do oblastí reverzního inženýrství či do medicíny. Požadavky na vlastnosti naváděcích systémů se v průběhu let zvyšují s postupným vývojem jednotlivých technologií. Z pohledu přesnosti navádění mají nejnáročnější požadavky laserové svařovací systémy, které v některých případech vyžadují přesnost navádění v rozsahu do jedné desetiny milimetru. Jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňující celkovou přesnost navádění je přesnost kalibrace jednotlivých nástrojů robota, kterými jsou laserová procesní hlava a snímač pro detekování svařované oblasti. V případě optických snímačů je zapotřebí využít speciální hand-eye kalibrace, jež určí hledaný transformační vztah mezi přírubou robota a snímačem na základě měřených dat z kalibračního objektu. V odborné literatuře je věnována velká pozornost matematickému řešení rovnice hand-eye kalibrace. Chybí zde však zaměření na volbu konkrétních kalibračních pozic, které taktéž hrají významnou roli ve výsledné přesnosti hand-eye kalibrace. Cílem autora práce je tak optimalizovat proces hand-eye kalibrace optického nástroje jako celek s ohledem na následné využití v praxi. Autor práce se v první řadě věnuje návrhu postupu pro hand-eye kalibraci optických snímačů, jenž vychází z vytvoření a analýzy kompletního modelu kalibračního procesu. Ten musí obsahovat modely jednotlivých částí naváděcího systému (robot, snímač, kalibrační objekt) a také algoritmus pro zpracování kalibračních dat. Pomocí provedené analýzy modelu kalibračního procesu jsou nalezeny optimální parametry pro generátor kalibračních pozic a optimální parametry pro následné vyhodnocení kalibračních dat. Navíc provedená analýza určí dosažitelnou přesnost a robustnost kalibrace. Dle toho lze následně rozhodnout o využití daného automatického naváděcího systému z pohledu náročnosti jednotlivých technologií. Navržený obecný postup hand-eye kalibrace je v dalším textu podrobně popsán pro naváděcí systém využívající laserový profilový skener ke snímání dat ze svařovaného objektu. Nalezené optimální parametry pro generátor kalibračních pozic a optimální parametry pro vyhodnocení kalibračních dat umožní dosáhnout přesnosti kalibrace potřebné pro laserové svařovací úlohy. V textu je dále ukázán vliv absolutní chyby robota na přesnost hand-eye kalibrace i přesnost celého procesu navádění. Absolutní chyba robota totiž hraje důležitou roli při využití navrženého postupu hand-eye kalibrace v praxi. Navržený postup kalibrace je implementován jako jeden z kognitivních modulů v autorem vyvíjeném softwaru CogniGuide, jehož účelem je řídit úlohy navádění v laserových robotických systémech. Pomocí ukázek konkrétních systémů je pak ověřena funkčnost navrženého postupu hand-eye kalibrace profilového skeneru v praxi.

Abstract:

Seam tracking systems are used for automatic guidance of welding robots. They have been developed for several decades and offer higher accuracy, robustness and time efficiency compared to the manual welding process. In addition, the knowledge acquired in this area is further transformed into the areas such as reverse engineering or medicine. Requirements for the accuracy of seam tracking systems have been increasing over the years with the development of welding technologies. Especially laser robotic systems require the precise path planning with the accuracy of tenths of a milimeter. One of the most important factors influencing the overall accuracy of the path planning is the accuracy of the calibration of the individual robot tools, specifically the process head and the sensor for detecting the welded area. In case of optical sensors, it is necessary to use a special hand-eye calibration which determines the required transformation relationship between the robot flange and the sensor based on the measured data from a specific calibration object. In the literature, great attention is paid to the mathematical solution of the equation of the hand-eye calibration. However, only a small attention is paid to the selection of appropriate calibration positions which also play a significant role in the resulting accuracy of the hand-eye calibration. Therefore, the main goal of the thesis is to optimize the whole process of the hand-eye calibration of the optical sensor with subsequent practical application. At the beginning, the author introduces the proposed procedure for the hand-eye calibration of optical sensors as robot tools based on the creation and the analysis of the complete model of the calibration process. The model must contain models of all individual parts of the seam tracking system (robot, sensor, calibration object) as well as algorithms for the processing of the calibration data. Using the analysis of the model of the calibration process, the optimal parameters for the generator of calibration positions and the optimal parameters for the subsequent processing of the calibration data are found. In addition, the analysis of the model of the calibration process determines the achievable accuracy and robustness of the hand-eye calibration. This information can affect the decision about feasibility of the given seam tracking system for a specific application according to its accuracy requirements. The proposed procedure is then implemented for the task of the hand-eye calibration of a laser profile scanner as the robot tool. The found optimal parameters for the generator of the calibration positions and the optimal parameters for the processing of the calibration data meet the requirements for the accuracy of laser welding tasks. The author also shows the effect of the absolute error of the robot positioning on the accuracy of the hand-eye calibration and the accuracy of the whole welding process. The absolute error of the robot positioning plays an important role in using the proposed procedure in practice. The proposed procedure of the hand-eye calibration is implemented as one of the cognitive modules in the CogniGuide software. This software is developed by the author and its purpose is to control robotic laser welding systems. The functionality of the proposed procedure of the hand-eye calibration in practice is verified on these robotic laser welding systems.

Keywords

hand-eye kalibrace, optimalizace, profilový skener, robot, model kalibračního procesu, laserové svařování, naváděcí systém, kalibrační objekt

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 7. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Eduard Janeček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Cybernetics