Entwurf, Simulation und Optimierung mehrkamerabasierter 6D-Pose-Messsysteme$dzur Verringerung der Positionsunsicherheit in der robotergestützten Koordinatenmesstechnik

Kreutzer, Michael

Robotergestützte Koordinatenmesssysteme haben gegenüber klassischen Koordinatenmessgeräten viele Vorteile. Zum Beispiel die gute Integrierbarkeit in Produktionslinien und die hohe Beweglichkeit des Roboterarms, sowie die relativ niedrigen Investitionskosten. Jedoch liegt die Positionsunsicherheit eines Industrieroboters auch nach einer Kalibrierung weit über der eines typischen Koordinatenmess-geräts. Das Einsatzgebiet bleibt darum auf Messanwendungen mit geringen Genauigkeitsanforderun-gen beschränkt. Abhilfe können externe kamerabasierte Zusatzmesssysteme zur Lagebestimmung der Roboter-hand und des eingesetzten Koordinatenmesskopfs schaffen, wie sie teils auch zur Roboterkalibrierung eingesetzt werden. Marktübliche Systeme basieren aber meist auf teuren Spezialkameras und haben Schwächen in der Orientierungsmessung. Darum können sie nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich be-trieben werden oder erreichen keine hinreichende Genauigkeit. In dieser Arbeit wird ein (mehr-)kamerabasiertes Pose-Messsystem (CPMS) entwickelt. Es be-steht aus einem mobilen 3-Kamera-Pose-Sensor zur Montage an der Roboterhand. Dieser Sensor ba-siert auf Standardkameras und bestimmt seine räumliche Pose durch die Beobachtung raumfester pho-togrammetrischer Zielmarken. Zur Herstellung der mathematischen Beziehung zwischen den Bildbeobachtungen der Zielmar-ken und der räumlichen Pose des Messsystems, wird ein Mehrkamera-Abbildungsmodell, sowie eine effiziente Vorgehensweise zur Lösung der daraus resultierenden Modellgleichungen erarbeitet. Zur Konzeption eines optimalen Messsystemdesigns, das einen guten Kompromiss zwischen Aufwand, Kosten und Messgenauigkeit darstellt, sind zahlreiche Systemeigenschaften abzustimmen. Dies ist am realen System aufgrund unkontrollierbarer Variablen und komplexer Wechselwirkungen sehr schwierig. Aus diesem Grund wird eine Simulations-Umgebung entwickelt, mit der die Zusam-menhänge zwischen Beleuchtung, Bildaufnahme und der räumlichen Kamera- und Zielmarkenanord-nung systematisch untersucht werden. Auf dieser Grundlage werden Zusammenhänge der Systemparameter aufgedeckt und Regeln für die Konzeptionierung eines CPMS erstellt. Durch eine systematische Untersuchung und Verbesse-rung der Kameraanordnung wurde die Pose-Messgenauigkeit bei Einsatz des gleichen Kameratyps we-sentlich erhöht. Darüber hinaus konnte die Algorithmik zur Bestimmung der Lage einer Zielmarke im Kamerabild durch die Erweiterung mit Verfahren zum Ausgleich inhomogener Beleuchtung und der Kompensation von Bewegungsunschärfen verbessert werden. Zuletzt werden anhand der Simulation praxisorientierte Verfahren zur Systemkalibrierung erarbeitet. Auch wird gezeigt, wie ein CPMS für eine spezifische Messanwendung am Rechner geplant werden und so Zeit und Kosten für aufwendige Experimentalaufbauten gespart werden kann.

Robot-assisted coordinate measurement systems have many advantages as compared to conventional coordinate measuring machines (CMMs). The easier integration in production, the mobility of industrial robots and low investment costs are just some of the advantages. However, the positional accuracy of a robot is much smaller than that of a CMM. Thus, the technique is limited to measuring applications with low accuracy requirements. In this thesis, a multi-camera-based 6D pose measurement system (CPMS) is presented. It con-sists of a mobile 3-camera pose sensor to be mounted on the robots tool center point. The sensor is based on standard cameras and determines its pose by observing rigid photogrammetric targets placed in the robots workspace. To find the mathematical relation between the image observation of the targets and the sensors pose, a multi-camera imaging model, and an efficient approach to solve the related system of equations is presented. By developing methods for lighting homogenization and to compensate for motion blur, in a first step, the accuracy of the image measurement was increased. In a second step, the CPMS design has been optimized by developing a simulation environment that allows for a systematic analysis of the complex relationships between lighting, image acquisition and the spatial camera and target assembly. At last and, -based on the simulation, methods for system calibration are presented and the planning of a CPMSs for a specific measurement application is shown.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Kreutzer, Michael: Entwurf, Simulation und Optimierung mehrkamerabasierter 6D-Pose-Messsysteme$dzur Verringerung der Positionsunsicherheit in der robotergestützten Koordinatenmesstechnik. Clausthal-Zellerfeld 2016.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export