Калибровка роботов

В статье рассмотрен процесс повышения точности робота, путем модификации программного обеспечения без изменения и переделки конструкции робота и системы управления.

Ключевые слова: калибровка, система управления, датчики.

Процесс калибровки позволяет более точно определить функциональную зависимость между считываемыми показаниями датчиков в степенях подвижности и текущим положением рабочего органа в декартовом пространстве и произвести соответствующие изменения параметров, используемых в программном обеспечении для позиционирования робота. Калибровка производится достаточно редко, что отличает ее от адаптивного управления, при котором идентификация модели осуществляется непрерывно и параметры управления устанавливаются в соответствии с определенными изменениями. Приведенное определение калибровки предполагает, что номинальная зависимость между положением рабочего органа и показаниями датчиков в степенях подвижности известна, однако требуется уточнить параметры этой зависимости.

Понятие процедуры калибровки имеет широкую трактовку. Например, некоторые процедуры калибровки касаются только информации, считываемой с датчиков в шарнирах, в то время как другие могут включать изменения в кинематических и динамических моделях роботов. Калибровку роботов можно условно разделить на три уровня.

Первый уровень калибровки ("уровень сочленений”) заключается в точном определении зависимости между сигналами, которые вырабатываются датчиками, определяющими положение сочленений, и действительным положением. В него включается калибровка кинематики приводов и механизмов датчиков. Второй уровень включает калибровку кинематической модели робота. Третий уровень ("некинематической") калибровки включает настройку параметров в алгоритмах учета ошибок позиционирования, связанных с эффектами некинематического характера, такими, как податливость в шарнирах и звеньях робота, трение, люфты. Сюда же относится и настройка параметров динамической модели робота.

В общем случае процесс калибровки на каждом из уровней состоит из четырех шагов. На первом шаге определяется приемлемый вид функциональной зависимости. Поэтому его можно назвать моделирующим шагом. Второй шаг заключается в сборе данных о реальном роботе, на основе которых можно сопоставлять значения на входе и выходе модели. Этот шаг можно назвать измерительным. На третьем шаге на основе полученных измерений и соответствующих алгоритмов производится идентификация параметров моделей. Это шаг идентификации. Последний шаг заключается во внесении уточненных моделей в программное обеспечение робота. Это шаг коррекции.

Целью калибровки на первом уровне является обеспечение точного соответствия между перемещениями в сочленениях и показаниями, считываемыми с датчиков. В большинстве случаев эта процедура выполняется на стадии конструирования робота и пользователь может ее повторить в случае возникновения неисправности или, если робот разбирался, для выполнения ремонта. Иногда такая калибровка делается каждый раз при включении робота, например, когда в роботе используются инкрементные датчики. При этом в момент включения положение робота неизвестно и его нужно вывести в эталонное положение, чтобы установить исходные значения датчиков. Такие процессы обычно автоматизированы. Такая калибровка основана использовании механических упоров и флажков, которые могут сдвинуться. В последнем случае требуется дополнительная калибровка для коррекции результатов обычной автоматизированной процедуры.

где hi() — функциональная зависимость между входом и выходом в явном виде, а вектор представляет параметры функции h( ). В большинстве случаев функция h( ) предполагается линейной т.е

Таким образом, цель калибровки на данном уровне заключается в правильном определении значений вектора уi.

В случае необходимости достижения очень высокой точности может потребоваться применение более сложной модели. Нелинейные эффекты связанные с люфтами и зазорами, предполагающие нелинейные модели, относятся к третьему уровню калибровки.

Для первого уровня калибровки процесс измерения заключается в использовании либо внешнего измерительного устройства, позволяющего точно определять текущие значения положения шарниров, либо движений в некоторые "известные” конфигурации. Наиболее простым является способ использования "известных" конфигураций, которые являются легко определяемыми из геометрии робота. Например, может быть известно, что шарниры занимают определенное положение, когда рука робота вытянута или некоторые плоскости становятся совпадающими.

Если визуальная центровка невозможна или не позволяет достичь требуемой повторяемости, используются специальные приспособления, позволяющие установить требуемое положение шарнира.

Другой подход заключается в расположении схвата робота с заданными положением и ориентацией в рабочем пространстве. По этому положению определяются соответствующие значения углов в шарнирах робота. Вывод робота в требуемое положение осуществляется обычно с помощью специальных устройств. При этом возникают проблемы, связанные с точным расположением схвата в рабочем пространстве.

В случае линейной модели процесс идентификации на рассматриваемом уровне калибровки тривиален. Параметр определяется коэффициентами передачи самого датчика и соотношением между изменениями угла и движением оси датчика. Коэффициент передачи датчика обычно достаточно точно соответствует паспортным значениям. Отношение между изменениями угла шарнира и поворотом оси датчика определяется на основе конструкции передаточного механизма, который обычно представляет гобой зубчатую передачу или аналогичный ей механизм.

После-определения коэффициента значение коэффициента может быть найдено путем поворота на известный угол и считывания показаний датчика. Значение определяется разностью между изменением угла .

Нель калибровки кинематической модели заключается в том, чтобы точность кинематической модели соответствовала точности преобразования угловых перемещений в показания датчиков. При этом считается, что звенья робота неупруги, а зазоры в степенях подвижности отсутствуют.

Если шестимерный вектор х описывает положение и ориентацию рабочего органа в пространстве, то в смысле кинематической калибровки он определяется выражением

где -вектор считываемых показаний датчиков;-вектор коэффициентов преобразования между показаниями датчиков и реальными значениями углов;

a-вектор коэффициентов используемой кинематической модели.

При этом необходимо выбрать вид кинематической модели g ( ) и определить значения , у и а.

Вопрос о том, который из них является наиболее удобным с точки зрения калибровки, остается открытым. Важно, чтобы используемые модели отвечали требованиям адекватности и стабильности представления кинематики робота. Адекватность представления заключается в возможности модели характеризовать изменения кинематики робота в терминах конечного ряда параметров. Стабильность «представления означает, что малым изменениям в кинематике робота будут соответствовать малые изменения в модели робота.

Фаза измерений на этом уровне включает в себя определение расположения рабочего органа робота или инструмента в рабочем пространстве.

В общем требуется шесть параметров для полного описания положения твердого тела. Для калибровки кинематической модели робота не требуется производить измерения всех координат, описывающих положения рабочего органа. В данной работе рассматриваются измерительные системы, которые налагают ограничения на взаимное расположение геометрических элементов, на рабочем органе и в рабочем пространстве. Удерживание точки рабочего органа на заданной плоскости или сфере соответствует определенным условиям. Физическая реализация условий осуществляется, когда зажатый в руке тактильный сенсор приводится в соприкосновение с плоской поверхностью неподвижной детали. Шесть таких одновременных условий необходимо для полного определения рабочего органа. Для калибровки роботов обычно используется специальные детали, имеющие форму куба или трех сферических поверхностей. Зажатый в руке сенсор приводится в контакт шесть раз с различных сторон куба (или дважды с каждой из трех сторон) или дважды с поверхностью каждой из трех сфер. Это означает, что измеряется одно и тоже условие для шести различных положений рабочего органа. На основе этих измерений можно определить шесть кинематических параметров в (3). Эта методика кинематически обратима. Для этого необходимо сенсорное устройство закрепить в рабочем пространстве, а в руке робота зажать кубическую или сферическую деталь.

Сенсорную систему также можно сконструировать на основе ограничения расположения линий в пространстве. Одним из вариантов основан на использовании оптического сенсора, расположенного на руке робота, и перемещении его в положение, в котором оптический луч прерывается из-за контакта с поверхностью детали.

Литература:

1.                Поезжаева Е.В.//Теория механизмов и механика систем машин. Промышленные роботы: учебное пособие: в 3 ч./Е.В. Позжаева .- Пермь: Изд-во Перм. Гос. Техн. Унт-та, 2009.- [Ч.2.-185].
2.                Проблемы механики современных машин: Материалы V международной конференции.-Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012.-Т.3.-276с., ил.- Поезжаева Е.В., «Шагающий робот с контурной системой управления», [с.227].
3.                Поезжаева Е.В., Васенин А.С., Шумков А.Г. Роботизация фермерских хозяйств по обработке растений // Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.2014. № 3. [c.59-62]