Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

1

Katedra Robotyki i Mechatroniki

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wojciech Lisowski

5

Pomiar położenia i orientacji

Roboty przemysłowe

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

2

Zagadnienia:

Klasyfikacja metod pomiaru położenia i orientacji
Zasada pomiaru położenia i orientacji w metodach

referencyjnych

Czujniki pomiaru odległości stosowane

w metodach referencyjnych

Zastosowanie teodolitu do pomiaru położenia

i orientacji efektora

Zastosowanie systemu wizyjnego do pomiaru

położenia i orientacji efektora

Zastosowanie interferometru laserowego do

pomiaru położenia i orientacji efektora

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

3

Klasyfikacja metod wyznaczania pozycji efektora

METODY WYZNACZANIA
POZYCJI
CHWYTAKA/NARZĘDZIA

REFERENCYJNE

(LOKALNE)

GEODEZYJNE
(W CAŁEJ
PRZESTRZENI
ROBOCZEJ)

TRIANGULACYJNE

WIZYJNE

INTERFEROMETRYCZNE

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

4

Koncepcje eksperymentalnego wyznaczania pozycji

Koncepcje eksperymentalnego wyznaczania pozycji

(Ranky)

Metody referencyjne pozwalają na wyznaczenie pozycji chwytaka/
narzędzia lokalnie w obszarze zamocowania modułu odniesienia.

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

5

Przykład

Krypton, REFPOSE 3D
dokładność 0.1 mm
rozdzielczość 0.01 mm
szybkość pracy 100 Hz
zakres 10

×10×10 mm

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

6

P

1

P

2

P

3

P

4

P

5

P

6

n

1

n

2

n

3

O

P

Położenie – OP
Orientacja – n

1

, n

2

, n

3

Wymagana kalibracja głowicy pomiarowej w celu kompensacji
błędów wykonania kostki odniesienia oraz ustawienia czujników

Zastosowanie 9 czujników pozwala przeprowadzać częściową
autokalibrację (błędy kostki, ale nie czujników).

Wyznaczanie pozycji w metodzie kostki – 6 czujników

(Ranky)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

7

TYP CZUJNIKA POMIARU
ODLEGŁOŚCI/
PRZEMIESZCZENIA

POMIAR
STYKOWY

ZAKRES

POMIAROWY

[mm]

ROZDZIELCZOŚĆ

[mm]

MECHANICZNY ZAGAROWY

TAK

50

0.001

LVDT

TAK

100

0.01

WIROPRĄDOWY

NIE

20

0.01

POJEMNOŚCIOWY

NIE

20

0.01

LASEROWY

NIE

100

0.001

Do pomiaru odległości stosuje się czujniki:

zegarowe
LVDT (indukcyjne transformatorowe przetworniki położenia)
wiroprądowe, pojemnościowe, magnetostrykcyjne
laserowe (dioda laserowa+element światłoczuły)

Dokładność pomiaru zależy od własności czujników i od cech
wieloczujnikowych głowic pomiarowych

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

8

Transformatorowy przetwornik położenia

(McKerrow)

Zastosowanie zestawu kul
wzorcowych

(Mooring)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

9

Zastosowanie: czujników laserowych

(Tang)

Przykład:

Krypton REFCUBE 6D

, dokładność 0.1 mm,

rozdzielczość 0.02 mm, szybkość pracy 200 Hz,
warstwa przestrzeni pracy o grubości 10 mm

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

10

Przykład: Wiest AG,

LASERLAB 3D

5 czujników laserowych, dokładność 0.1 mm, 3D,
39.5mm ×38.5 mm × 36.5 mm

Zastosowanie: czujników laserowych

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

11

Zastosowanie systemów wizyjnych

Teconsult,

3D, ROSY, 2 kamery CCD

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

12

Krypton RODYM 2D

, dokładność 0.1 mm, rozdzielczość 0.01 m,

szybkość pracy 100 Hz, powierzchnia 0.5

×0.6 m

Wykorzystanie czujników wiroprądowych, magnetostrykcyjnych,
pojemnościowych i.t.p – trajektoria płaska

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

13

Grupa metod geodezyjnych pozwala na prowadzenie pomiaru
w znacznych obszarach przestrzeni roboczej.

Najwcześniej zastosowano metody triangulacyjne polegające na
śledzeniu wybranego punktu chwytaka/narzędzia z 2 lub 3 modułów
pomiarowych, których położenie wzajemne oraz względem robota
jest również wyznaczane doświadczalnie.

Powszechnie stosuje się

teodolity

,

W ograniczonym zakresie wykorzystuje się

przetworniki cięgnowe.

Wyznaczenie pozycji wymaga określenia orientacji przestrzennej
osi optycznych teodolitów lub długości pomiarowej cięgien

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

14

Płaski przetwornik cięgnowy (2D)

Krypton, RODYM CABLE 2D,

dokładność 0.1 mm,
rozdzielczość 0.02 mm, szybkość
pracy 2000 Hz, długość cięgien
1.5 m

Przetwornik przestrzenny (3D)

(Driels)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

15

Przetworniki cięgnowe

Problemy konstrukcyjne:

wydłużanie się cięgien
wpływ bezwładności mas (enkoder,

bęben, cięgno)

oddziaływanie siłowe na efektor
szybkość zwijania cięgna
wyprowadzenie cięgna z głowicy
jak objąć całą PR, niebezpieczeństwo

kolizji cięgna z robotem
i urządzeniami towarzyszącymi

Dynalog, Inc.,

3D

(BEI)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

16

Teodolity

z napędami 2 osi obrotu
skomputeryzowane
sterowane w układzie zamkniętym
wyposażone w oprogramowanie

analizujące obraz.

(Meyer)

(Albright)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

17

Pomiar odbywa się w spoczynku.

(Kyle)

Przejście do następnego punktu trajektorii jest zautomatyzowane lub
ręcznie przez operatora przy pomocy joystika.

Automatyczne ustawianie ogniskowej może służyć do zgrubnego
oszacowania odległości

Odczyt na podstawie kątów (rozdzielczość około 0.1 sekundy
kątowej) jakie tworzy oś optyczna teodolitu z kierunkami odniesienia
gdy jest ona nakierowana na cel.

Poziomnica pozwala wyznaczyć kierunek pionowy, od którego
odmierzane są kąty (najczęściej oprogramowanie usuwa przechylenie
automatycznie z wyników pomiaru).

Możliwy pomiar orientacji

Pomiar zaczyna kalibracja zespołu
teodolitów

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

18

(Kyle)

Problemy pomiarowe:

kąty między osiami optycznymi teodolitów powinny być bliskie

prostemu a odległości celu od teodolitów małe

refrakcja (nieprostoliniowa droga promienia świetlnego)

stabilność zamocowania (drgania, efekty cieplne, luzy)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

19

Leica,

Total Station TDA5005

Pomiar położenia: 0.3 mm/m
Pomiar odległości: 0.2 mm/m
Zasięg 500 m

(Leica Geosystems)

Krypton, RODYM LTD 500 3D (Leica),

dokładność 0.01 mm/m,

rozdzielczość 0.0012 mm, 0.14 ”, obrót w płaszczyźnie poziom.

±235°

obrót w płaszczyźnie pion.

±45°, zasięg 0-35 m

Przykłady:

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

20

Metody wizyjne
- komputerowa analiza obrazu z wielu kamer
- do efektora jest mocowany w odpowiedni sposób zespół diod, których

położenie jest śledzone przez zespół kamer o znanym położeniu
i orientacji

Problemy zastosowania:

jak objąć całą przestrzeń roboczą?
rozmiary diod
opóźnienie wprowadzane w czasie obróbki obrazu (w czasie ruchu)

(Raucent)

Krypton, REFLINE 2D/3D

, dokładność 0.03 mm,

rozdzielczość 0.005 mm, zakres przemieszczeń
20mm

×20mm×10m

Możliwość pracy z przetwornikiem cięgnowym (3D)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

21

Metris (Krypton) K600

, dokładność 0.06 mm/m, rozdzielczość 0.002

mm, obrót w poziomie 360º, w pionie

±60 º, szybkość pracy 600 Hz

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

22

Metody interferometryczne

przez laser, odbitego od zwierciadła (ang. retroreflector) zamocowanego
do kołnierza kiści manipulatora i docierającego do interferometru oraz

orientacji zwierciadła pośredniego

, odbijającego wiązkę światła w

kierunku zwierciadła zamocowanego do manipulatora.

Zastosowanie
interferometru laserowego
pozwala wykorzystać w
pomiarze

pojedynczy

moduł pomiarowy

dzięki

równoczesnemu
pomiarowi

zmiany

długości drogi promienia
świetlnego

emitowanego

(Kyle)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

23

Wyznaczanie położenia i orientacji

(Prenninger)

Dokładność pomiaru do 0.5 długości fali.

Zasięg około 20 m

Zakres kątów: poziomo – kąt pełny,
pionowo

±45

o

Prędkość śledzenia: promieniowo 1m/s,
stycznie 2 m/s.

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

24

Przykłady implementacji

(ABB)

Leica Geosystems

Laser Tracker LTD 500
Dokładność 0.01 mm/m
Zasięg 40 m

cat eye ± 60°
730 g, d 75 mm

(retro)reflector ± 50°
7g, d 12 mm

Faro

Laser Tracker X,
Dokładność 0.01 mm/m.
Zasięg 70 m, 10 kHz

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

25

Systemy pomiarowych stosowanych w metodach geodezyjnych

Tendencja rozwoju systemów pomiarowych:
umożliwienie przeprowadzenia pomiaru:

w możliwie najbardziej zautomatyzowany sposób
w rzeczywistym otoczeniu pracy robota
w czasie ruchu manipulatora.

0.01

TAK

TAK

TAK

NIE

INTERFEROMETR

0.05

TAK

TAK

TAK

NIE

SYSTEM WIZYJNY

0.01

NIE

TAK

TAK

NIE

TEODOLIT

Dokładność
[mm/m]

Pomiar w
ruchu

Dowolna
trajektoria

Wyznaczanie
orientacji

Pomiar
stykowy

Typ układu pomiaru
odległości
przemieszczenia