Zelfuitlijnende robot met lasersensoren

Industriële robots worden veel gebruikt, vooral voor pak-en-plaatswerkzaamheden. In deze toepassingen worden ze vaak gecombineerd met visuele systemen of lasersensoren. De positie en oriëntatie van objecten worden dan berekend in absolute coördinaten – bijvoorbeeld de robotbasiscoördinaten – op basis van meetdata van de lasers en door middel van coördinaattransformaties. Deze methode werkt prima maar vereist wel een reeks complexe berekeningen, wat niet handig is voor onderhoud en aanpassingen.

Ingenieursbureau Irmato koos daarom een andere aanpak toen het van een internationale klant de opdracht kreeg om een tool te ontwikkelen die de doorlooptijd van serviceacties zou verkorten. De klant zocht een robuust, eenvoudig te bedienen systeem met lage onderhoudskosten. Ergonomie en snelheid hebben geleid tot de keuze van een robot. Lasersensoren zorgden voor relatief lage kosten. Flexibiliteit, eenvoud en serviceability haalde Irmato door middel van een nieuwe automatische uitlijnstrategie.

De Irmato-ingenieurs ontwikkelden een eenvoudige en praktische strategie om een object met zes ongedefinieerde vrijheidsgraden automatisch te vinden en te pakken. In tegenstelling tot de gebruikelijke methode waarbij de absolute positie en oriëntatie van het object worden berekend, zijn bij deze methode alleen eenvoudige berekeningen nodig. Een afwijking in de uitlijning wordt direct gecorrigeerd in het coördinaatsysteem van de tool, die is geplaatst aan de eindeffector van de robot.

Nulpunt

De tool bestaat uit een zesassige ABB-robot en een speciaal ontwikkelde eindeffector. Hierop zijn drie lasers gemonteerd die worden gebruikt om de positie en oriëntatie van de grijper uit te lijnen op het object. Dat object bevindt zich binnen in een machine met een beperkte werkruimte. Hierdoor was het noodzakelijk dat het object wordt gedetecteerd met contactloze sensoren. Irmato moest verder rekening houden met een hoge temperatuur van het object (meer dan 200 graden Celsius) en een cleanroomomgeving.

Een andere grote uitdaging was een hoge nauwkeurigheidseis voor de uitlijning van tweehonderd micrometer en nauwe toleranties voor het bewegingstraject zodat een fout in de uitlijning geen botsing kon veroorzaken tussen de tool en het object. Ook heeft Irmato gekeken naar de meetnauwkeurigheid van de lasersensoren die afneemt als de meetafstand groter wordt.

 advertorial 

Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems

5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!

Het uitlijnalgoritme is ontwikkeld om de grijper automatisch te sturen tijdens het pakken en plaatsen van het object. Irmato heeft twee coördinaatsystemen gebruikt om de robot te besturen: het basiscoördinaatsysteem en het coördinaatsysteem van de tool. Het basiscoördinaatsysteem is vast en gedefinieerd op de basis van de robot. Het nulpunt van het andere coördinaatsysteem is het tool center point (TCP), gedefinieerd op het middelpunt van het interfaceoppervlak van de grijper. De x- en y-as van het TCP liggen in het interfaceoppervlak en snijden door de laserstralen.

Boorgat

Om de grijper uit te lijnen ten opzichte van het object wordt hij aangestuurd om iteratief naar het object toe te bewegen en te corrigeren voor fouten in de uitlijning in zijn TCP. De eerste stap is om hem naar een vaste positie te bewegen, in de buurt van het object. Alle sensoren kunnen het object daar registreren. De robot draait de grijper dan eerst rond de x-as totdat de sensoren op die as (L1 en L2) dezelfde waarden aangeven. De Rx-rotatie wordt vastgezet en de robot draait zijn arm daarna om de y-as totdat de derde sensor (L3) dezelfde waarde geeft als L1 en L2. Het vlak van de grijperinterface is nu parallel aan het objectoppervlak.

De volgende stap is dat om de rotatie rond de z-as af te stellen op het object. De uitlijning in Rz-oriëntatie van de grijper wordt gedaan door langs de x-richting van de TCP een referentierand te scannen. De twee lasersensoren op de grijper detecteren het als de laserstralen deze rand raken. Het verschil in x-positie van die twee lasers ten opzichte van de referentierand kan eenvoudig worden berekend. Daaruit volgt de benodigde hoekverdraaiing voor de uitlijning van Rz.

Vervolgens beweegt de grijper dichter naar het object. Met de lasersensoren als detector zoekt Irmato naar een karakteristiek vormdeel op het object zoals een rechte rand of een boorgat. Omdat op voorhand bekend is wat de relatie is tussen de positie van dit vormdeel en de beoogde positie (middelpunt van het object), is het mogelijk om de gewenste xy-positie van het object te bepalen.

Nadat de robotarm een iteratieve stap heeft gezet, corrigeert hij opnieuw zijn oriëntatie via de beschreven uitlijning. Bij elke stap komt de grijper dichter bij het object, met een steeds hogere nauwkeurigheid. Dit proces verloopt automatisch totdat hij nauwkeurig genoeg zijn positie heeft gevonden. De robot trekt de grijper en het object ten slotte langs de z-as uit de machine.

Irmato’s oplossing kan een object succesvol pakken en plaatsen in een complexe omgeving. De uitlijnstrategie blijkt robuust en het gebruikte uitlijnalgoritme werkt met eenvoudige berekeningen, wat makkelijker is voor onderhoud. De nauwkeurigheid van het systeem is hoog, onder meer vanwege de uitlijnstrategie die compenseert voor de onnauwkeurigheid van de lasersensoren en de robot. Irmato heeft een compleet werkende tool met de beschreven strategie opgeleverd aan zijn klant.

Hai Nguyen, mechatronica-engineer, en Jeroen Ceelen, lead engineer, werken bij Irmato. Irmato is een multidisciplinair ingenieurs-, consultancy- en realisatiebureau voor tooling, machines en professionele apparatuur. Er werken driehonderd mensen.