Calibración del robot

La calibración de robots es un proceso utilizado para mejorar la precisión de los robots, en particular de los robots industriales, que son altamente repetibles pero no precisos. La calibración de robots consiste en identificar ciertos parámetros en la estructura cinemática de un robot industrial, como la posición relativa de los eslabones del robot. Según el tipo de errores modelados, la calibración se puede clasificar de tres maneras diferentes. La calibración de nivel 1 solo modela las diferencias entre los valores de desplazamiento de las articulaciones reales y reportados (también conocida como calibración maestra). La calibración de nivel 2, también conocida como calibración cinemática, se refiere a la calibración geométrica completa del robot, que incluye desfases angulares y longitudes de las articulaciones. La calibración de nivel 3, también llamada calibración no cinemática, modela errores distintos a los valores geométricos predeterminados, como la rigidez, la compliancia de las articulaciones y la fricción. A menudo, la calibración de nivel 1 y la de nivel 2 son suficientes para la mayoría de las necesidades prácticas. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La calibración paramétrica de un robot es el proceso de determinar los valores reales de los parámetros cinemáticos y dinámicos de un robot industrial (RI). Los parámetros cinemáticos describen la posición y orientación relativas de los eslabones y las articulaciones del robot, mientras que los parámetros dinámicos describen las masas de los brazos y las articulaciones, así como la fricción interna. ^{[ 3 ]}

La calibración no paramétrica de robots evita la identificación de parámetros. En el caso de robots seriales, se basa en la compensación directa de errores mapeados en el espacio de trabajo. En el caso de robots paralelos, la calibración no paramétrica puede realizarse mediante la transformación del espacio de configuración.

La calibración de robots puede mejorar notablemente la precisión de los robots programados fuera de línea . Un robot calibrado presenta una mayor precisión de posicionamiento, tanto absoluta como relativa, en comparación con uno sin calibrar; es decir, la posición real del efector final del robot se corresponde mejor con la posición calculada a partir del modelo matemático del robot. La precisión de posicionamiento absoluta es especialmente relevante en relación con la intercambiabilidad de robots y la programación fuera de línea de aplicaciones de precisión. Además de la calibración del robot, la calibración de sus herramientas y de las piezas con las que trabaja (la denominada calibración de celda ) puede minimizar las imprecisiones y mejorar la seguridad del proceso.

La norma internacional ISO 9283 ^{[ 4 ]} establece diferentes criterios de rendimiento para robots industriales y sugiere procedimientos de prueba para obtener valores de parámetros adecuados. Los criterios más importantes, y también los más utilizados, son la precisión de la posición (AP) y la repetibilidad de la posición (RP). La repetibilidad es particularmente importante cuando el robot se mueve manualmente hacia las posiciones de comando ("Teach-In"). Si el programa del robot se genera mediante una simulación 3D ( programación fuera de línea ), la precisión absoluta también es vital. Ambos se ven generalmente afectados negativamente por factores cinemáticos. Aquí, en particular, influyen los desplazamientos de las articulaciones y las desviaciones en longitudes y ángulos entre los eslabones individuales del robot.

Existen diversas posibilidades para la medición de la pose con robots industriales, como el contacto con piezas de referencia, el uso de sensores de distancia supersónicos, interferometría láser, teodolitos, calibradores o triangulación láser. Además, existen sistemas de cámara que pueden acoplarse a la celda del robot o a la placa de montaje IR para adquirir la pose de un objeto de referencia. Empresas como Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult ^{[ 5 ]} y Automated Precision fabrican sistemas de medición y calibración.

Los errores del robot, obtenidos mediante mediciones de pose, pueden minimizarse mediante optimización numérica . Para la calibración cinemática , es necesario desarrollar un modelo cinemático completo de la estructura geométrica, cuyos parámetros pueden calcularse mediante optimización matemática. El comportamiento común del sistema puede describirse con la función del modelo vectorial, así como con los vectores de entrada y salida (véase la figura). Las variables k, l, m, n y sus derivadas describen las dimensiones de los espacios vectoriales individuales. La minimización del error residual r para la identificación del vector de parámetros óptimo p se obtiene a partir de la diferencia entre ambos vectores de salida utilizando la norma euclidiana.

Para resolver problemas de optimización cinemática, resultan convenientes los métodos de descenso por mínimos cuadrados, por ejemplo, un método cuasi-Newton modificado . Este procedimiento proporciona parámetros cinemáticos corregidos para la máquina medida, que luego pueden utilizarse, por ejemplo, para actualizar las variables del sistema en el controlador y adaptar el modelo de robot utilizado a la cinemática real. ^{[ 6 ]}

La precisión de posicionamiento de los robots industriales varía según el fabricante, la antigüedad y el tipo de robot. Mediante la calibración cinemática, estos errores pueden reducirse a menos de un milímetro en la mayoría de los casos. Un ejemplo de esto se muestra en la figura de la derecha.

La precisión de los robots industriales de 6 ejes puede mejorarse en un factor de 10. ^{[ 7 ]}

La precisión de los robots paralelos después de la calibración puede ser tan baja como una décima de milímetro.

En la industria, existe una tendencia general a sustituir las máquinas herramienta y las máquinas especiales por robots industriales para ciertas tareas de fabricación cuyas exigencias de precisión pueden ser satisfechas por robots calibrados. Mediante la simulación y la programación fuera de línea, es posible realizar fácilmente tareas de programación complejas, como el mecanizado robótico. Sin embargo, a diferencia del método de programación por aprendizaje, se requiere una alta precisión y repetibilidad.

En la figura se muestra un ejemplo actual: la medición en línea en la fabricación de automóviles, donde el típico "túnel de medición" utilizado para la inspección al 100% con numerosos sensores costosos se reemplaza parcialmente por robots industriales que llevan un solo sensor cada uno. De esta manera, se pueden reducir significativamente los costos totales de una celda de medición. La estación también se puede reutilizar después de un cambio de modelo mediante una simple reprogramación sin adaptaciones mecánicas.

Otros ejemplos de aplicaciones de precisión son el dobladillo guiado por robot en la fabricación de carrocerías de automóviles, el ensamblaje de teléfonos móviles, la perforación, el remachado y el fresado en la industria aeroespacial y, cada vez más, en aplicaciones médicas.

• Problema de calibración mano-ojo

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