La calibración de robots es un proceso que se utiliza para mejorar la precisión de los robots, en particular de los robots industriales, que son muy repetibles pero no precisos. La calibración de robots es el proceso de 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 formas diferentes. La calibración de nivel 1 solo modela las diferencias entre los valores de desplazamiento de las articulaciones reales y los informados (también conocida como masterización). La calibración de nivel 2, también conocida como calibración cinemática, se refiere a toda la calibración geométrica del robot, que incluye los desplazamientos de ángulo y las longitudes de las articulaciones. La calibración de nivel 3, también llamada calibración no cinemática, modela errores distintos de los predeterminados geométricos, como la rigidez, la flexibilidad de las articulaciones y la fricción. A menudo, la calibración de nivel 1 y nivel 2 son suficientes para la mayoría de las necesidades prácticas. [1] [2]
La calibración paramétrica de robots es el proceso de determinar los valores reales de los parámetros cinemáticos y dinámicos de un robot industrial (IR). Los parámetros cinemáticos describen la posición y orientación relativas de los enlaces y las articulaciones del robot, mientras que los parámetros dinámicos describen las masas de los brazos y las articulaciones y la fricción interna. [3]
La calibración no paramétrica de robots evita la identificación de parámetros. Cuando se utiliza con robots en serie, se basa en la compensación directa de errores mapeados en el espacio de trabajo. Cuando se utiliza con robots paralelos, la calibración no paramétrica se puede realizar mediante la transformación del espacio de configuración.
La calibración de robots puede mejorar notablemente la precisión de los robots programados offline . Un robot calibrado tiene una mayor precisión de posicionamiento absoluta y relativa en comparación con uno no calibrado; 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 particularmente relevante en relación con la intercambiabilidad del robot y la programación offline de aplicaciones de precisión. Además de la calibración del robot, la calibración de sus herramientas y de las piezas de trabajo con las que trabaja (la llamada calibración de celdas ) puede minimizar las imprecisiones que se producen 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 postura (AP) y la repetibilidad de la postura (RP). La repetibilidad es especialmente importante cuando el robot se mueve hacia las posiciones de comando manualmente ("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 influenciados negativamente por factores cinemáticos. Aquí tienen efecto especialmente los desplazamientos de las articulaciones y las desviaciones en longitudes y ángulos entre los eslabones individuales del robot.
Existen diferentes posibilidades para la medición de la postura con robots industriales, por ejemplo, tocando piezas de referencia, utilizando sensores de distancia supersónicos, interferometría láser, teodolitos, calibradores o triangulación láser. Además, existen sistemas de cámara que se pueden colocar en la celda del robot o en la placa de montaje IR y que capturan la postura de un objeto de referencia. Los sistemas de medición y calibración son fabricados por empresas como Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Cognibotics, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult [5] y Automated Precision.
Los errores del robot recogidos por las mediciones de postura pueden minimizarse mediante optimización numérica . Para la calibración cinemática , se debe desarrollar un modelo cinemático completo de la estructura geométrica, cuyos parámetros pueden calcularse luego 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 deduce de la diferencia entre ambos vectores de salida utilizando la norma euclidiana.
Para resolver los problemas de optimización cinemática, son 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, por ejemplo, se pueden utilizar para actualizar las variables del sistema en el controlador para 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 se pueden reducir 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 se puede mejorar 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 hacia la sustitución de máquinas herramienta y máquinas especiales por robots industriales para determinadas 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 con robots. Sin embargo, a diferencia del método de programación Teach, se requiere una buena precisión y repetibilidad.
En la figura se muestra un ejemplo actual: medición en línea en la fabricación de automóviles, donde los "túneles de medición" habituales para la inspección al 100% con numerosos sensores costosos se sustituyen en parte por robots industriales que llevan solo un sensor cada uno. De esta manera, los costes totales de una célula de medición se pueden reducir significativamente. 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 montaje de teléfonos móviles, el taladrado, remachado y fresado en la industria aeroespacial y, cada vez más, en aplicaciones médicas.