Design of Experiments for Calibration of Planar Anthropomorphic Manipulators

The paper presents a novel technique for the design of optimal calibration experiments for a planar anthropomorphic manipulator with n degrees of freedom. Proposed approach for selection of manipulator configurations allows essentially improving calibration accuracy and reducing parameter identification errors. The results are illustrated by application examples that deal with typical anthropomorphic manipulators.Comment: Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2011 IEEE/ASME International Conference on, Budapest : Hungary (2011

Efficiency Improvement of Measurement Pose Selection Techniques in Robot Calibration

The paper deals with the design of experiments for manipulator geometric and elastostatic calibration based on the test-pose approach. The main attention is paid to the efficiency improvement of numerical techniques employed in the selection of optimal measurement poses for calibration experiments. The advantages of the developed technique are illustrated by simulation examples that deal with the geometric calibration of the industrial robot of serial architecture

A robust optimization hybrid algorithm for solving the direct kinematics of the general Gough-Stewart platform

El problema de cinemática directa para los robots paralelos se puede enunciar como sigue: dado un conjunto de valores de las variables articulares, se deben encontrar los valores correspondientes en las variables cartesianas, es decir, la posición y orientación del órgano terminal. En muchas ocasiones, el problema de cinemática directa requiere la resolución de un sistema de ecuaciones no-lineales. Los métodos más eficientes para resolver problemas de este tipo suponen convexidad de una función de costo cuyo mínimo es la solución del sistema. La capacidad de tales métodos de optimización para encontrar una solución adecuada depende fuertemente del punto inicial. Un problema bien conocido es la selección de tal punto inicial, el cual requiere información a priori sobre una vecindad convexa donde se encuentra la solución. Este artículo propone un método eficiente para seleccionar y generar el punto inicial basado en aprendizaje probabilístico. El método evita eficientemente los mínimos locales, sin necesidad de intervención humana o información a priori, lo cual lo hace más robusto si se compara con el método Dogleg u otro método de minimización local basado en gradiente. Con el propósito de mostrar el desempeño del método híbrido, se presentan experimentos y su discusión correspondiente. La propuesta se puede extender a otras estructuras con cadenas cinemáticas cerradas, o a la solución en general de sistemas de ecuaciones no-lineales, y por supuesto, para problemas de optimización no-lineales.The direct kinematics problem for parallel robots can be stated as follows: given values of the joint variables, the corresponding Cartesian variable values, the pose of the end-effector, must be found. Most of the times the direct kinematics problem involves the solution of a system of non-linear equations. The most efficient methods to solve such kind of equations assume convexity in a cost function which minimum is the solution of the non-linear system. In consequence, the capacity of such methods depends on the knowledge about an starting point which neighboring region is convex, hence the method can find the global minimum. This article propose a method based on probabilistic learning about an adequate starting point for the Dogleg method which assumes local convexity of the function. The proposed method efficiently avoids the local minima, without need of human intervention or apriori knowledge, thus it shows a more robust performance than the simple Dogleg method or other gradient based methods. To demonstrate the performance of the proposed hybrid method, numerical experiments and the respective discussion are presented. The proposal can be extended to other structures of closed-kinematics chains, to the general solution of systems of non-linear equations, and to the minimization of non-linear functions.Peer Reviewe

A computational method for key-performance-indicator-based parameter identification of industrial manipulators

We present a novel derivative-based parameter identification method to improve the precision at the tool center point of an industrial manipulator. The tool center point is directly considered in the optimization as part of the problem formulation as a key performance indicator. Additionally, our proposed method takes collision avoidance as special nonlinear constraints into account and is therefore suitable for industrial use. The performed numerical experiments show that the optimum experimental designs considering key performance indicators during optimization achieve a significant improvement in comparison to other methods. An improvement in terms of precision at the tool center point of 40% to 44% was achieved in experiments with three KUKA robots and 90 notional manipulator models compared to the heuristic experimental designs chosen by an experimenter as well as 10% to 19% compared to an existing state-of-the-art method

An Overview of Kinematic and Calibration Models Using Internal/External Sensors or Constraints to Improve the Behavior of Spatial Parallel Mechanisms

This paper presents an overview of the literature on kinematic and calibration models of parallel mechanisms, the influence of sensors in the mechanism accuracy and parallel mechanisms used as sensors. The most relevant classifications to obtain and solve kinematic models and to identify geometric and non-geometric parameters in the calibration of parallel robots are discussed, examining the advantages and disadvantages of each method, presenting new trends and identifying unsolved problems. This overview tries to answer and show the solutions developed by the most up-to-date research to some of the most frequent questions that appear in the modelling of a parallel mechanism, such as how to measure, the number of sensors and necessary configurations, the type and influence of errors or the number of necessary parameters

Desarrollo, implementación y ensayo de técnicas de verificación y calibración de instrumentos portátiles de medición por coordenadas mediante plataforma multi-registro

La necesidad de verificación o inspección de unas determinadas características de un producto cobra importancia en procesos de homologación y aseguramiento de la calidad en entornos industriales o laboratorios, donde es necesario certificar que el producto cumple con unos requerimientos establecidos, bien a nivel dimensional o funcional. Dentro de la verificación dimensional de precisión, los instrumentos portátiles de medición por coordenadas han evolucionado, debido a su flexibilidad, portabilidad y coste frente a las máquinas de medición por coordenadas convencionales (MMC), como ocurre en el caso de los brazos articulados de medición por coordenadas. Otros instrumentos portátiles de medición como el láser tracker están dirigidos a mediciones de alto rango, en piezas o equipos de grandes dimensiones donde una verificación geométrica convencional no es viable. Sin embargo, el propio uso y manipulación de estos equipos, acentuado por su condición de portabilidad, que permite su operación en entornos con ambientes no tan controlados, hace que sea necesaria su periódica calibración y verificación, con objeto de asegurar sus correctas características metrológicas y por lo tanto generando una medición con resultados fiables. Estas tareas suelen ser intensivas en tiempo y mano de obra, inhabilitando el equipo durante su realización con la merma de productividad derivada. Por este motivo, surgió el trabajo de tesis que se presenta a continuación, cuyo principal objetivo es definir, desarrollar, ensayar e implementar nuevas técnicas de calibración y verificación para instrumentos portátiles de medición, brazos articulados de medición y láser tracker con una plataforma multi-registro. La plataforma multi-registro es un instrumento dotado de una alta repetibilidad de posicionamiento y presenta como principales ventajas la posibilidad de obtener puntos fijos en un sistema de referencia global y la generación de distancias patrón virtuales, ambas técnicas presentadas en esta tesis. Es el instrumento portátil fijado sobre la plataforma, el que rota en las seis posiciones de la plataforma en lugar del patrón de medida, pudiéndose generar un número mayor de posiciones de ensayo sin necesidad de un movimiento físico del patrón, evaluando en cada rotación un nuevo volumen de trabajo del instrumento de medición. Para la validación de estas técnicas de calibración y verificación, se realiza en este trabajo una revisión del estado del arte tanto a nivel de equipos como de técnicas de evaluación, analizando normativa aplicable a procedimientos de evaluación. Se definen e integran los modelos cinemáticos y matemáticos de brazo, láser tracker y plataforma, realizándose en el caso del brazo articulado de medición, un proceso de identificación de parámetros que permite minimizar los errores en el procedimiento de calibración. Posteriormente se lleva a cabo la fase experimental de los procedimientos de evaluación propuestos a nivel teórico, para láser tracker y brazo articulado de medición con la plataforma multi-registro, incluyendo el concepto de distancias virtuales. Para finalizar, se realiza un cálculo de estimación de la incertidumbre de la plataforma multi-registro aplicando el método de Monte Carlo, identificando las posibles fuentes de error asociadas al comportamiento estático y dinámico de la misma. Como conclusión del trabajo se validó la utilización de la plataforma multi-registro en procedimientos de verificación de instrumentos de medición, brazos articulados de medición por coordenadas y láser trackers.The need of inspection and verification for certain features of a product, has a paramount importance in quality assurance and product release processes carried out in industrial applications or laboratories, where dimensional or functional product requirements should be fulfilled. Within high precision dimensional verification, portable coordinate measuring machines (PCMM) like articulated arm coordinate measuring machines (AACMMs) have had a great success in the market due to their flexibility, portable condition and lower cost in comparison with the conventional coordinate measuring machines (CMMs). In regard to high range measuring systems like laser trackers, they are focused on big dimension parts where the conventional geometrical verification is not suitable. Nevertheless, the use and manipulation of this type of equipment, stressed by their portable condition, allows their use in non-controlled environment conditions, making necessary their periodical calibration and verification in order to assure their proper metrological features and the derived reliable measuring results. These tasks are cost, time and labor intensive and normally disables the equipment during the execution generating the consequent productivity loss. On these grounds, we present the following doctoral dissertation whose main target is to define, develop, implement and test new calibration and verification techniques for portable measuring instruments, articulated arm coordinate measuring machines and laser trackers by means of an indexed metrology platform. The indexed metrology platform has a high positioning repeatability and shows as main advantages the possibility to generate fixed points in a global coordinate reference system and the ability to create virtual reference distances, being both methodologies presented in this doctoral dissertation. The portable measuring instrument, fixed on the platform, rotates along the six rotation positions of the platform instead of moving the calibrated gauge that remains fixed generating a bigger number of test positions in an easy way. Each time the platform rotates to a new position, a new working volume of the instrument is evaluated. In order to validate these proposed calibration and verification procedures, firstly a revision of the state of the art in regard to portable measuring instruments and evaluation techniques is carried out, followed by an analysis of the applicable standards for laser tracker and articulated arm measuring coordinate machines, which will be used as a base for the procedures definition. Then the kinematic and mathematical models for the three equipment, AACMM, laser tracker and the indexed metrology platform are defined and integrated. Regarding AACMM calibration, a parameter identification procedure is carried out to minimize the error in the measuring process. In addition, it is presented in this work the experimental phase and results of the aforesaid verification theoretical procedures proposed, for the laser tracker and the AACMM with the indexed metrology platform, including the virtual distance concept. Finally, an uncertainty estimation of the indexed metrology platform is completed based on Monte Carlo method, identifying the possible error sources in relation with the static and dynamic behavior of the platform