Le but de ce travail est de démontrer qu’il est possible d’étalonner un petit robot sériel avec un nouvel appareil de mesure tridimensionnelle portable, à faible coût en comparaison à d’autres instruments de mesure populaires, et ce, de manière automatisée. Le nouvel instrument de mesure est composé de trois comparateurs numériques sans fil disposés de façon orthogonale sur un support en aluminium. Chaque comparateur possède une précision de mesure à l’intérieur de 3 μm. L’appareil utilise un dispositif de mise à zéro qui permet de définir l’origine du référentiel de l’outil (TCP) au centre d’une bille avec grande précision. Cela est possible grâce au principe d’accouplement cinématique.

La méthode d’étalonnage développée pour ce nouvel instrument est appliquée sur un petit robot sériel à six axes, le IRB 120 du fabricant ABB. Le robot est modélisé à l’aide des paramètres Denavit-Hartenberg en incluant l’ensemble des paramètres géométriques et les paramètres de compliance des engrenages des articulations. Un paramètre supplémentaire définit la relation géométrique qui existe entre les axes parallèles du robot pour corriger le problème de proportionnalité du modèle.

Un total de 360 configurations de robot sont générées en simulation en utilisant des contraintes d’orientation et de position. Les mesures sont collectées en utilisant le principe de la boucle fermée en contraignant le TCP du nouveau dispositif de mesure sur trois billes de 0.5 pouce de diamètre aux configurations générées correspondantes. Les configurations de robot candidates pour l’identification des paramètres du modèle sont choisies en considérant une analyse d’observabilité. Les paramètres du modèle sont identifiés avec la méthode d’optimisation linéaire des moindres carrés.

Les performances de l’étalonnage sont validées avec un laser de poursuite portable sur un ensemble de 506 configurations de robot générées aléatoirement dans l’espace de travail complet du robot. La moyenne, l’écart-type et le maximum des erreurs absolues sont améliorés par rapport au modèle nominal en passant respectivement de 2.628 mm, 1.087 mm et 6.282 mm à 0.207 mm, 0.087 mm et 0.481 mm après étalonnage. En terminant, une brève comparaison avec les différentes méthodes d’étalonnage existantes est réalisée. Cela permet de constater que la performance associée à la nouvelle méthode d’étalonnage est similaire, quoique légèrement inférieure, à celle offerte par la méthode la plus courante qui utilise un laser de poursuite portable, un appareil de mesure beaucoup plus dispendieux.

The purpose of this work is to demonstrate that it is feasible to calibrate a small serial robot using a new low-cost three-dimensional measuring device and an automated procedure. The new measuring instrument consists of three wireless digital indicators. These indicators are fixed on an aluminum support, orthonormal to each other. Each indicator has a measuring accuracy within 3 μm. The measuring instrument uses a zeroing device which allows for the definition of the tool center point (TCP) with high accuracy and high repeatability using the principle of kinematic couplings.

The calibration method developed for this new instrument is applied to a small six-axis robot, ABB’s IRB 120. The robot is modeled using Denavit-Hartenberg parameters by including all the geometrical parameters and the compliance of the joints. An additional parameter defines the geometrical relation which exists between the parallel axes of the robot to correct the problem of proportionality of the model.

Using position and orientation constraints, a pool of 360 robot configurations are generated in simulation. Then, the measurements are collected by constraining the new device to three 0.5-in precision balls located in the workspace of the robot at the TCP positions corresponding to the generated configurations. The set of configurations selected for identification of the parameters are chosen based on an observability analysis. The parameters of the model are identified using linear regression with the least squares method.

The performance of the calibration is validated using a laser tracker on a set of 506 robot configurations randomly generated in the complete workspace of the robot. The average, the standard deviation and the maximum absolute errors are reduced from 2.628 mm, 1.087 mm and 6.282 mm to 0.207 mm, 0.087 mm and 0.481 mm, respectively, after calibration. Finally, a brief comparison of the performances of several existing calibration methods using different measuring instruments is presented. It shows that the performance of this new calibration method is similar, although slightly lower, to the performance offered by the most common robot calibration method which is based on the use of a laser tracker, a much more expensive measuring device.